(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池を安定的に作動させるとともに、低温環境下においても安定した燃料電池の起動性が得られるようにする。【解決手段】空気経路２０、２１を流通する空気のエネルギを動力源として作動するエジェクタポンプ４０にて、水素経路３０、３４内の流体を吸引することにより、燃料電池１０への水素供給量が少ないときや燃料電池１０への水素供給が絶たれているときでも、窒素等の不純物や生成水を含む水素経路３０、３４内の流体を吸引することができるため、燃料電池１０を安定的に作動させることができる。また、吸引した水素経路３０、３４内の流体を酸素極に導入することにより、吸引した流体中の水蒸気成分によって電解質膜を加湿し、さらに、吸引した流体中の水素成分の触媒反応に伴って発生する反応熱と水によって暖機および加湿を行い、それらの相乗効果によって燃料電池１０の起動性を向上させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素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（１０）と、前記燃料電池（１０）に水素を供給する水素供給装置（３１）と、前記燃料電池（１０）に供給される水素が流通する水素経路（３０、３４）と、前記燃料電池（１０）に空気を供給する空気供給装置（２２）と、前記燃料電池（１０）に供給される空気が流通する空気経路（２０、２１）とを有する燃料電池システムにおいて、
前記空気経路（２０、２１）を流通する空気のエネルギを動力源として作動して前記水素経路（３０、３４）内の流体を吸引する流体式ポンプ（４０、７０）を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水素と酸素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（１０）と、前記燃料電池（１０）に水素を供給する水素供給装置（３１）と、前記燃料電池（１０）に供給される水素が流通する水素経路（３０、３４）と、前記燃料電池（１０）に空気を供給する空気供給装置（２２）と、前記燃料電池（１０）に供給される空気が流通する空気経路（２０、２１）とを有する燃料電池システムにおいて、
前記水素経路（３０、３４）または前記空気経路（２０、２１）を流通する流体のエネルギを動力源として作動して負圧を発生する流体式ポンプ（３９、４０、５４、７０）と、前記流体式ポンプ（３９、４０、５４、７０）が発生した負圧を蓄えるバキュームタンク（５３、７４）とを備え、前記バキュームタンク（５３、７４）に蓄えた負圧により前記水素経路（３０、３４）内の流体を吸引することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記空気経路（２０、２１）は、前記空気供給装置（２２）から前記燃料電池（１０）に空気を導く空気供給経路（２０）と、前記燃料電池（１０）から外部に空気を排出する空気排出経路（２１）とを有し、
前記流体式ポンプ（７０）は、前記空気排出経路（２１）を流通する空気のエネルギを動力源として作動することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流体式ポンプ（４０）はエジェクタポンプであり、
前記空気経路（２０、２１）は、前記空気供給装置（２２）から前記燃料電池（１０）に空気を導く空気供給経路（２０）と、前記燃料電池（１０）から外部に空気を排出する空気排出経路（２１）とを有し、
前記空気供給経路（２０）は２つに分岐されており、この分岐された２つの前記空気供給経路（２０）の一方に前記エジェクタポンプが配置されてい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。
【請求項５】
前記水素経路（３０、３４）から分岐して前記エジェクタポンプの吸引部（４０ａ）に接続された吸引経路（４１）を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記吸引経路（４１）を開閉する吸引経路開閉弁（４２）が、前記吸引経路（４１）に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記空気供給装置（２２）からの空気の流れを、分岐された２つの前記空気供給経路（２０）の一方に切替え制御する三方切替弁（２３）が、前記空気供給経路（２０）の分岐部に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水素経路（３０、３４）は、前記水素供給装置（３１）から前記燃料電池（１０）に水素を導く水素供給経路（３０）と、前記燃料電池（１０）に供給された水素のうち前記化学反応に用いられなかった未反応水素を含んで前記燃料電池（１０）から排出されるオフガスを前記水素供給経路（３０）に合流させ、前記燃料電池（１０）に再循環させるオフガス循環経路（３４）とを有し、
前記オフガス循環経路（３４）から分岐されて、前記水素経路（３０、３４）内の流体を外部に排出するオフガス排出経路（５０）と、
前記オフガス排出経路（５０）に配置されて前記オフガス排出経路（５０）を開閉する２つのオフガス排出経路開閉弁（５１、５２）とを備え、
前記バキュームタンク（５３）が２つの前記オフガス排出経路開閉弁（５１、５２）の間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記流体式ポンプ（３９）は、前記水素供給経路（３０）に配置されて前記オフガスを前記オフガス循環経路（３４）に循環させるとともに、前記水素供給装置（３１）から供給される水素に前記オフガスを混合して前記燃料電池（１０）に供給する循環用エジェクタポンプであり、
前記オフガス排出経路（５０）および前記オフガス循環経路（３４）が、前記循環用エジェクタポンプの吸引部（３９ａ）に切替え接続可能に構成されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記オフガス循環経路（３４）における前記オフガス循環経路（３４）と前記オフガス排出経路（５０）との分岐部よりも上流側に配置されて、前記オフガス循環経路（３４）を開閉するオフガス循環経路開閉弁（６０）を備え、
２つの前記オフガス排出経路開閉弁（５１、５２）のうち前記バキュームタンク（５３）よりも上流側に配置されたオフガス排出経路開閉弁（５１）と前記オフガス循環経路開閉弁（６０）との切替え制御を行うことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水素供給経路（３０）に配置されて前記オフガスを前記オフガス循環経路（３４）に循環させるとともに、前記水素供給装置（３１）から供給される水素に前記オフガスを混合して前記燃料電池（１０）に供給する循環用エジェクタポンプを備え、
前記流体式ポンプ（５４）は、前記水素供給経路（３０）において前記循環用エジェクタポンプよりも上流側に配置されたエジェクタポンプであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記水素経路（３０、３４）は、前記水素供給装置（３１）から前記燃料電池（１０）に水素を導く水素供給経路（３０）と、前記燃料電池（１０）に供給された水素のうち前記化学反応に用いられなかった未反応水素を含んで前記燃料電池（１０）から排出されるオフガスを前記水素供給経路（３０）に合流させ、前記燃料電池（１０）に再循環させるオフガス循環経路（３４）とを有し、
前記流体式ポンプ（３９）は、前記水素供給経路（３０）に配置されて前記オフガスを前記オフガス循環経路（３４）に循環させるとともに、前記水素供給装置（３１）から供給される水素に前記オフガスを混合して前記燃料電池（１０）に供給する循環用エジェクタポンプであり、
前記水素経路（３０、３４）内の流体を外部に排出するオフガス排出経路（５０）と、前記オフガス排出経路（５０）に配置されて前記オフガス排出経路（５０）を開閉する２つのオフガス排出経路開閉弁（５１、５２）とを備え、
前記バキュームタンク（５３）が２つの前記オフガス排出経路開閉弁（５１、５２）の間に配置され、
前記循環用エジェクタポンプは第１吸引部（３９ａ）と第２吸引部（３９ｂ）とを有し、前記オフガス循環経路（３４）が前記第１吸引部（３９ａ）に接続されるとともに、前記オフガス排出経路（５０）が前記第２吸引部（３９ｂ）に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記流体式ポンプ（７０）はエジェクタポンプであり、
前記水素経路（３０、３４）から分岐して前記エジェクタポンプの吸引部（７０ａ）に接続された吸引経路（７１）を備え、
前記水素経路（３０、３４）内の流体が前記吸引経路（７１）および前記空気排出経路（２１）を介して外部に排出されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記空気排出経路（２１）は２つに分岐されており、この分岐された２つの前記空気排出経路（２１）の一方に前記エジェクタポンプが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池（１０）からの空気の流れを、分岐された２つの前記空気排出経路（２１）の一方に切替え制御する三方切替弁（２４）が、前記空気排出経路（２１）の分岐部に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記エジェクタポンプが発生した負圧を蓄えるバキュームタンク（７４）と、前記吸引経路（７１）に配置されて前記吸引経路（７１）を開閉する２つの吸引経路開閉弁（７２、７３）とを備え、
前記バキュームタンク（７４）が２つの前記吸引経路開閉弁（７２、７３）の間に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池（１０）に供給された水素のうち前記化学反応に用いられなかった未反応水素を含んで前記燃料電池（１０）から排出されるオフガスを前記水素供給経路（３０）に合流させ、前記燃料電池（１０）に再循環させるオフガス循環経路（３４）を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素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を有する燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の燃料利用率と発電効率の低下防止のため、燃料電池の水素極から排出されるオフガスをポンプ装置により吸引し、そのオフガスを供給燃料に混合して燃料電池に再循環させる燃料電池システムが知られている。オフガスを再循環させるためのポンプ装置には、供給燃料の流体エネルギを利用して省動力化を図ることができるため、エジェクタポンプが主に用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２６６９２２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エジェクタポンプ等の流体エネルギを利用するポンプ装置では、燃料電池への供給燃料量が少ないとき、すなわちオフガスを再循環するための流体エネルギが小さいときには、充分なオフガス循環量が得られない。ましてや、アイドルストップのような発電停止状態においては、燃料電池への供給燃料が絶たれるためオフガスの循環は不可能となる。
【０００５】
ところで、発電停止中には、燃料電池の電解質膜などを介した空気の透過等が原因で窒素等の不純物や電池反応による生成水がオフガスの循環経路内に蓄積される。また、オフガス循環量の不足時においては、上記不純物を充分に燃料電池内より排出できないため、同様に不純物が循環経路内に蓄積されていく。このようにして蓄積された不純物は、燃料電池の電極反応を阻害するため、燃料電池の起動性や発電能力が低下するという問題が発生する。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池を安定的に作動させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。さらに、低温環境下においても安定した燃料電池の起動性が得られるようにすることを他の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素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（１０）と、燃料電池（１０）に水素を供給する水素供給装置（３１）と、燃料電池（１０）に供給される水素が流通する水素経路（３０、３４）と、燃料電池（１０）に空気を供給する空気供給装置（２２）と、燃料電池（１０）に供給される空気が流通する空気経路（２０、２１）とを有する燃料電池システムにおいて、空気経路（２０、２１）を流通する空気のエネルギを動力源として作動して水素経路（３０、３４）内の流体を吸引する流体式ポンプ（４０、７０）を備えることを特徴とする。
【０００８】
これによると、燃料電池への水素供給量が少ないときや燃料電池への水素供給が絶たれているときでも、窒素等の不純物や生成水を含む水素経路内の流体を吸引することができるため、燃料電池を安定的に作動させることができる。
【０００９】
また、吸引した水素経路内の流体を例えば酸素極に導入するようにした場合、吸引した流体中に含まれる水蒸気成分（液滴を含む）によって燃料電池の電解質膜を加湿することができ、さらに、吸引した流体中に含まれる水素成分の触媒反応に伴って発生する反応熱と水によって暖機および加湿を行うことができ、それらの相乗効果によって燃料電池の起動性を向上させることができる。
【００１０】
また、燃料電池内に生成水が蓄積された状態で燃料電池システムが低温環境下に放置された場合、生成水の凍結により水素経路や空気経路が閉塞されたり、燃料電池の電解質膜が凍結するという問題が発生するが、燃料電池を停止する際、燃料電池への水素供給停止後に水素経路内の流体を吸引して生成水を除去することにより、上記した低温環境下に放置した場合の問題点を回避して、低温環境下に放置後の起動性を向上させることができる。
【００１１】
ところで、オフガスを再循環させるためのポンプ装置として機械式ポンプを用いることにより、燃料電池への水素供給量が少ないときでも充分なオフガス循環量を確保して、水素経路内の流体を排出することが可能になるが、機械式ポンプを用いた場合は、特に低温時においては生成水の凍結により機械式ポンプが起動不能に陥る恐れがある。これに対し、請求項１の発明では、空気のエネルギを動力源として作動する流体式ポンプを用いているため、低温時にポンプが起動不能に陥るのを回避して、低温環境下においても安定した燃料電池の起動性を得ることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、水素と酸素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（１０）と、燃料電池（１０）に水素を供給する水素供給装置（３１）と、燃料電池（１０）に供給される水素が流通する水素経路（３０、３４）と、燃料電池（１０）に空気を供給する空気供給装置（２２）と、燃料電池（１０）に供給される空気が流通する空気経路（２０、２１）とを有する燃料電池システムにおいて、水素経路（３０、３４）または空気経路（２０、２１）を流通する流体のエネルギを動力源として作動して負圧を発生する流体式ポンプ（３９、４０、５４、７０）と、流体式ポンプ（３９、４０、５４、７０）が発生した負圧を蓄えるバキュームタンク（５３、７４）とを備え、バキュームタンク（５３、７４）に蓄えた負圧により水素経路（３０、３４）内の流体を吸引することを特徴とする。
【００１３】
これによると、燃料電池への水素供給量が少ないときや燃料電池への水素供給が絶たれているときでも、水素経路内の流体を吸引することができるため、燃料電池を安定的に作動させることができる。
【００１４】
また、請求項１の発明では、空気供給装置が空気の供給を開始し、その空気のエネルギによって流体式ポンプが作動することにより、水素経路内の流体の吸引を開始するため、流体の吸引開始までに比較的長い時間がかかってしまう。これに対し、請求項２の発明では、予め蓄えた負圧により水素経路内の流体を吸引するため、すぐに流体の吸引を開始することができ、したがって、燃料電池の起動性を一層向上させることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明のように、空気経路（２０、２１）は、空気供給装置（２２）から燃料電池（１０）に空気を導く空気供給経路（２０）と、燃料電池（１０）から外部に空気を排出する空気排出経路（２１）とを有し、流体式ポンプ（７０）を、空気排出経路（２１）を流通する空気のエネルギを動力源として作動させることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明のように、流体式ポンプ（４０）はエジェクタポンプであり、空気経路（２０、２１）は、空気供給装置（２２）から燃料電池（１０）に空気を導く空気供給経路（２０）と、燃料電池（１０）から外部に空気を排出する空気排出経路（２１）とを有し、空気供給経路（２０）は２つに分岐されており、この分岐された２つの空気供給経路（２０）の一方にエジェクタポンプを配置してもよい。
【００１７】
請求項５に記載の発明のように、水素経路（３０、３４）から分岐した吸引経路（４１）をエジェクタポンプの吸引部（４０ａ）に接続してもよい。
【００１８】
請求項６に記載の発明のように、吸引経路（４１）を開閉する吸引経路開閉弁（４２）を、吸引経路（４１）に配置してもよい。
【００１９】
請求項７に記載の発明のように、空気供給装置（２２）からの空気の流れを、分岐された２つの空気供給経路（２０）の一方に切替え制御する三方切替弁（２３）を、空気供給経路（２０）の分岐部に配置してもよい。
【００２０】
請求項８に記載の発明のように、水素経路（３０、３４）は、水素供給装置（３１）から燃料電池（１０）に水素を導く水素供給経路（３０）と、燃料電池（１０）に供給された水素のうち化学反応に用いられなかった未反応水素を含んで燃料電池（１０）から排出されるオフガスを水素供給経路（３０）に合流させ、燃料電池（１０）に再循環させるオフガス循環経路（３４）とを有し、オフガス循環経路（３４）から分岐されて、水素経路（３０、３４）内の流体を外部に排出するオフガス排出経路（５０）と、オフガス排出経路（５０）に配置されてオフガス排出経路（５０）を開閉する２つのオフガス排出経路開閉弁（５１、５２）とを備え、バキュームタンク（５３）を２つのオフガス排出経路開閉弁（５１、５２）の間に配置してもよい。
【００２１】
請求項９に記載の発明のように、流体式ポンプ（３９）は、水素供給経路（３０）に配置されてオフガスをオフガス循環経路（３４）に循環させるとともに、水素供給装置（３１）から供給される水素にオフガスを混合して燃料電池（１０）に供給する循環用エジェクタポンプであり、オフガス排出経路（５０）およびオフガス循環経路（３４）を、循環用エジェクタポンプの吸引部（３９ａ）に切替え接続可能に構成してもよい。
【００２２】
請求項１０に記載の発明のように、オフガス循環経路（３４）におけるオフガス循環経路（３４）とオフガス排出経路（５０）との分岐部よりも上流側に配置されて、オフガス循環経路（３４）を開閉するオフガス循環経路開閉弁（６０）を備え、２つのオフガス排出経路開閉弁（５１、５２）のうちバキュームタンク（５３）よりも上流側に配置されたオフガス排出経路開閉弁（５１）とオフガス循環経路開閉弁（６０）との切替え制御を行うようにしてもよい。
【００２３】
請求項１１に記載の発明では、水素供給経路（３０）に配置されてオフガスをオフガス循環経路（３４）に循環させるとともに、水素供給装置（３１）から供給される水素にオフガスを混合して燃料電池（１０）に供給する循環用エジェクタポンプを備え、流体式ポンプ（５４）は、水素供給経路（３０）において循環用エジェクタポンプよりも上流側に配置されたエジェクタポンプであることを特徴とする。
【００２４】
一般的な燃料電池システムにおいては、水素供給装置内の高圧水素をレギュレータにて減圧して循環用エジェクタポンプ側に供給するようになっており、その減圧により多くのエネルギを無駄に消費していたが、請求項１１の発明によれば、循環用エジェクタポンプよりも上流側に配置されたエジェクタポンプによって、従来、減圧時に無駄に消費していたエネルギが有効利用される。
【００２５】
請求項１２に記載の発明のように、水素経路（３０、３４）は、水素供給装置（３１）から燃料電池（１０）に水素を導く水素供給経路（３０）と、燃料電池（１０）に供給された水素のうち化学反応に用いられなかった未反応水素を含んで燃料電池（１０）から排出されるオフガスを水素供給経路（３０）に合流させ、燃料電池（１０）に再循環させるオフガス循環経路（３４）とを有し、流体式ポンプ（３９）は、水素供給経路（３０）に配置されてオフガスをオフガス循環経路（３４）に循環させるとともに、水素供給装置（３１）から供給される水素にオフガスを混合して燃料電池（１０）に供給する循環用エジェクタポンプであり、水素経路（３０、３４）内の流体を外部に排出するオフガス排出経路（５０）と、オフガス排出経路（５０）に配置されてオフガス排出経路（５０）を開閉する２つのオフガス排出経路開閉弁（５１、５２）とを備え、バキュームタンク（５３）が２つのオフガス排出経路開閉弁（５１、５２）の間に配置され、循環用エジェクタポンプは第１吸引部（３９ａ）と第２吸引部（３９ｂ）とを有し、オフガス循環経路（３４）が第１吸引部（３９ａ）に接続されるとともに、オフガス排出経路（５０）が第２吸引部（３９ｂ）に接続されるようにしてもよい。
【００２６】
請求項１３に記載の発明では、流体式ポンプ（７０）はエジェクタポンプであり、水素経路（３０、３４）から分岐してエジェクタポンプの吸引部（７０ａ）に接続された吸引経路（７１）を備え、水素経路（３０、３４）内の流体が吸引経路（７１）および空気排出経路（２１）を介して外部に排出されることを特徴とする。
【００２７】
これによると、空気排出経路（すなわち、酸素極よりも下流側）は空気供給経路（すなわち、酸素極よりも上流側）よりも酸素が少ないため、吸引した流体中に含まれる水素成分と燃料電池から排出される空気とによって可燃状態が作り出される恐れはほとんどない。
【００２８】
請求項１４に記載の発明では、空気排出経路（２１）は２つに分岐されており、この分岐された２つの空気排出経路（２１）の一方にエジェクタポンプが配置されていることを特徴とする。
【００２９】
これによると、エジェクタポンプを使用しないときには、エジェクタポンプが配置されていない空気排出経路から空気を排出することにより、排気損失を低減することができ、ひいては空気供給装置の負荷を低減することができる。
【００３０】
請求項１５に記載の発明のように、燃料電池（１０）からの空気の流れを、分岐された２つの空気排出経路（２１）の一方に切替え制御する三方切替弁（２４）を、空気排出経路（２１）の分岐部に配置することができる。
【００３１】
請求項１６に記載の発明のように、エジェクタポンプが発生した負圧を蓄えるバキュームタンク（７４）と、吸引経路（７１）に配置されて吸引経路（７１）を開閉する２つの吸引経路開閉弁（７２、７３）とを備え、バキュームタンク（７４）を２つの吸引経路開閉弁（７２、７３）の間に配置することはできる。
【００３２】
請求項１７に記載の発明のように、燃料電池（１０）に供給された水素のうち化学反応に用いられなかった未反応水素を含んで燃料電池（１０）から排出されるオフガスを水素供給経路（３０）に合流させ、燃料電池（１０）に再循環させるオフガス循環経路（３４）を設けてもよい。
【００３３】
なお、上記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ものである。
【００３４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１に基づいて説明する。第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００３５】
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの全体概略構成を示している。燃料電池（ＦＣスタック）１０は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池１０は、図示しない走行用モータや２次電池等の電気機器に電力を供給するように構成されている。燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（水素極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
この電気化学反応により生成水が発生するともに、燃料電池１０には加湿された水素、空気が供給され、燃料電池１０内部で凝縮水が発生する。このため、燃料電池１０内部には水分が存在する。
【００３６】
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気供給経路２０と、空気や生成水を燃料電池１０から外部に排出するための空気排出経路２１が設けられている。空気供給経路２０の最上流部には、空気供給装置２２が設けられ、第１実施形態では、空気供給装置２２としてコンプレッサを用いている。なお、空気供給経路２０と空気排出経路２１は、本発明の空気経路を構成する。
【００３７】
空気供給経路２０は、空気供給装置２２の下流側にて、第１空気供給経路２０ａと第２空気供給経路２０ｂとに分岐された後、再び合流している。両空気供給経路２０ａ、２０ｂの分岐部には、空気供給装置２２からの空気の流れを両空気供給経路２０ａ、２０ｂの一方に切替え制御する三方切替弁２３が配置されている。
【００３８】
第２空気供給経路２０ｂには、第２空気供給経路２０ｂを流通する空気のエネルギを動力源として作動して後述する水素経路内の流体を吸引する空気側エジェクタポンプ４０が設けられている。因みに、空気側エジェクタポンプ４０は、高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプ（ＪＩＳ  Ｚ  ８１２６  番号２．１．１．３）であり、本発明の流体式ポンプに相当する。
【００３９】
また、燃料電池システムには、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素供給経路３０が設けられ、水素供給経路３０の最上流部には水素供給装置３１が設けられている。第１実施形態では、水素供給装置３１として水素ガスが充填された高圧水素タンクを用いている。
【００４０】
水素供給経路３０には、水素供給装置３１からの水素供給圧力を調整するためのレギュレータ３２、および水素供給経路３０を開閉する水素供給経路開閉弁３３が設けられている。
【００４１】
また、燃料電池１０から排出される未反応水素を含んだオフガスを、水素供給装置３１からの主供給水素に合流させて燃料電池１０に再供給するためのオフガス循環経路３４が設けられている。オフガス循環経路３４は、燃料電池１０の水素極出口側と水素供給経路３０におけるレギュレータ３２の下流側とを接続している。なお、水素供給経路３０とオフガス循環経路３４は、本発明の水素経路を構成する。
【００４２】
オフガス循環経路３４には、オフガス中に含まれる水分を分離除去するための気液分離器３５が設けられ、この気液分離器３５には、気液分離器３５にて分離された水を外部に排出するための分離水排出弁３６が設けられている。
【００４３】
オフガス循環経路３４内のオフガスを外部に排出するためのオフガス排出経路３７がオフガス循環経路３４から分岐して設けられ、このオフガス排出経路３７にオフガス排出経路３７を開閉するオフガス排出経路開閉弁３８が設けられている。
【００４４】
水素供給経路３０におけるオフガス循環経路３４の合流点には、オフガスを循環させるための循環用エジェクタポンプ３９が設けられており、オフガス循環経路３４は循環用エジェクタポンプ３９の吸引部３９ａに接続されている。この循環用エジェクタポンプ３９は、高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであり、具体的には、水素供給装置３１から供給される主供給水素の流体エネルギを利用してオフガスを吸引して循環させるものである。
【００４５】
水素供給経路３０における循環用エジェクタポンプ３９よりも下流側から吸引経路４１が分岐しており、この吸引経路４１は空気側エジェクタポンプ４０の吸引部４０ａに接続されている。吸引経路４１には、吸引経路４１を開閉する吸引経路開閉弁４２が配置されている。
【００４６】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。
【００４７】
（１）燃料電池システムの起動時の作動
燃料電池システムを起動する前に、まず、空気供給装置２２から供給される空気が第２空気供給経路２０ｂに流れるように、三方切替弁２３を制御する。また、吸引経路開閉弁４２を開弁させて、水素供給経路３０と空気側エジェクタポンプ４０との間を、吸引経路４１を介して連通状態にする。一方、水素供給経路開閉弁３３、オフガス排出経路開閉弁３８、および分離水排出弁３６は、いずれも閉弁させる。
【００４８】
この状態において、空気供給装置２２を作動させて空気の供給を開始すると、空気側エジェクタポンプ４０は、燃料電池１０の水素極内の流体（液滴および残留ガス）を、吸引経路４１を介して吸引する。吸引された流体は、燃料電池１０の酸素極側を通過した後、空気排出経路２１を介して外部に排出される。このとき、吸引された流体中の水素成分は、酸素極において触媒燃焼によって水になるため、安全な状態で排出される。
【００４９】
次に、上記作動を実施後、燃料電池システムを起動する。三方切替弁２３は、空気供給装置２２から供給される空気が第１空気供給経路２０ａに流れるように制御される。また、吸引経路開閉弁４２は閉弁され、水素供給装置３１からの主供給水素が吸引経路４１を介して空気供給経路２０に流入するのが防止される。この後、水素供給経路開閉弁３３を開弁させて、水素供給装置３１から水素を燃料電池１０に供給することにより、燃料電池１０が発電を開始する。
【００５０】
このように、燃料電池システムを起動する直前に燃料電池１０の水素極内の不純物を除去できるため、その不純物による燃料電池１０への悪影響を回避して、燃料電池１０を確実に起動させることができる。
【００５１】
また、吸引した水素経路内の流体を酸素極に導入するため、吸引した流体中に含まれる水蒸気成分（液滴を含む）によって燃料電池１０の電解質膜を加湿することができ、さらに、吸引した流体中に含まれる水素成分の触媒反応に伴って発生する反応熱と水によって暖機および加湿を行うことができ、それらの相乗効果によって燃料電池１０の起動性を向上させることができる。
【００５２】
（２）燃料電池システムの停止時の作動
最初に水素供給経路開閉弁３３を閉弁させて、水素供給装置３１から燃料電池１０への水素の供給を停止する。気温が低くて水分凍結の恐れがある環境下では、その後、空気供給装置２２から供給される空気を第２空気供給経路２０ｂに流すように三方切替弁２３を制御する。また、吸引経路開閉弁４２を開弁させ、オフガス排出経路開閉弁３８および分離水排出弁３６を閉弁させる。
【００５３】
この状態において、空気側エジェクタポンプ４０は、燃料電池１０の水素極内の流体を吸引経路４１を介して吸引する。吸引された流体は、燃料電池１０の酸素極側を通過した後、空気排出経路２１を介して外部に排出される。これにより、燃料電池１０の酸素極内および水素極内の水分が除去される。この後、空気供給装置２２を停止する。
【００５４】
このように、燃料電池システムを停止する際に燃料電池１０の酸素極内および水素極内の水分を除去しておくことにより、低温環境下に放置した場合の問題点、すなわち、水分凍結により各弁が作動不良を起こしたり、水分凍結により水素経路や空気経路が閉塞されたり、燃料電池１０の電解質膜が凍結するという問題を回避して、低温環境下に放置後の起動性を向上させることができる。
【００５５】
なお、燃料電池１０の電解質膜が適度に湿っていた方が起動性がよいため、水分凍結の恐れがない環境下では、燃料電池システムを停止する際に燃料電池１０の酸素極内および水素極内の水分を除去する作動を行わない方が望ましい。
【００５６】
本実施形態によると、燃料電池１０への水素供給量が少ないときや燃料電池１０への水素供給が絶たれているときでも、水素経路内の流体を吸引することができるため、燃料電池１０を安定的に作動させることができる。
【００５７】
ところで、オフガスを再循環させるためのポンプ装置として機械式ポンプを用いることにより、燃料電池１０への水素供給量が少ないときでも充分なオフガス循環量を確保して、水素経路内の流体を排出することが可能になるが、機械式ポンプを用いた場合は、特に低温時においては生成水の凍結により機械式ポンプが起動不能に陥る恐れがある。これに対し、本実施形態では、空気のエネルギを動力源として作動する空気側エジェクタポンプ４０を用いているため、低温時に空気側エジェクタポンプ４０が起動不能に陥ることはなく、低温環境下においても安定した燃料電池１０の起動性を得ることができる。
【００５８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、水素経路内の流体を吸引するための構成が異なるものである。なお、上記第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００５９】
本実施形態では、第１実施形態における、第２空気供給経路２０ｂ、三方切替弁２３、空気側エジェクタポンプ４０、オフガス排出経路３７、オフガス排出経路開閉弁３８、吸引経路４１、および吸引経路開閉弁４２が廃止されている。
【００６０】
本実施形態は、図２に示すように、水素経路内の流体を外部に排出するためのオフガス排出経路５０が循環用エジェクタポンプ３９の第２吸引部３９ｂに接続されており、このオフガス排出経路５０にオフガス排出経路５０を開閉する第１、第２オフガス排出経路開閉弁５１、５２が設けられ、両オフガス排出経路開閉弁５１、５２の間にバキュームタンク５３が配置されている。このバキュームタンク５３は、循環用エジェクタポンプ３９が発生した負圧を蓄えるものである。なお、循環用エジェクタポンプ３９は、本発明の流体式ポンプに相当する。
【００６１】
さらに、オフガス循環経路３４に、このオフガス循環経路３４を開閉するオフガス循環経路開閉弁６０が設けられている。なお、バキュームタンク５３内の圧力およびオフガス循環経路３４の圧力は、それぞれ図示しない圧力センサによって検出されるようになっている。
【００６２】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。
【００６３】
本実施形態の以下の説明においては、第１オフガス排出経路開閉弁５１が閉弁、第２オフガス排出経路開閉弁５２が閉弁、オフガス循環経路開閉弁６０が開弁している状態を、状態Ａという。また、第１オフガス排出経路開閉弁５１が開弁、第２オフガス排出経路開閉弁５２が閉弁、オフガス循環経路開閉弁６０が閉弁している状態を、状態Ｂという。さらに、第１オフガス排出経路開閉弁５１が開弁、第２オフガス排出経路開閉弁５２が閉弁、オフガス循環経路開閉弁６０が開弁している状態を、状態Ｃという。さらにまた、第１オフガス排出経路開閉弁５１が閉弁、第２オフガス排出経路開閉弁５２が開弁、オフガス循環経路開閉弁６０が開弁している状態を、状態Ｄという。なお、水素供給経路開閉弁３３は、燃料電池システムの運転中は常に開弁している。
【００６４】
燃料電池システムの運転中、すなわち燃料電池１０の起動状態において、バキュームタンク５３内の圧力が所定の負圧よりも低い場合、上記した状態Ａに各弁を制御する。このときには、オフガス循環経路開閉弁６０が開弁していて、オフガス循環経路３４が循環用エジェクタポンプ３９の第１吸引部３９ａに接続された状態であるため、循環用エジェクタポンプ３９が発生する負圧により、オフガス循環経路３４を介してオフガスが吸引され、そのオフガスが水素供給経路３０に循環される。オフガスが循環される際、オフガス中の水分が気液分離器３５にて分離され、分離水排出弁３６を開弁させることにより、分離された水分がオフガス循環経路３４外に排出される。
【００６５】
バキュームタンク５３内の圧力が所定の負圧よりも高い場合、上記した状態Ｂに各弁を制御する。このときには、第１オフガス排出経路開閉弁５１が開弁していて、バキュームタンク５３が循環用エジェクタポンプ３９の第２吸引部３９ｂに接続された状態であるため、バキュームタンク５３内は、循環用エジェクタポンプ３９が発生する負圧により吸引される。この後、バキュームタンク５３内の圧力が所定の負圧よりも低くなった場合、もしくは、燃料電池１０への水素供給が停止される場合に、上記した状態Ａに各弁を制御する。これにより、バキュームタンク５３内に所定の負圧を蓄える。
【００６６】
燃料電池システムの起動時には、起動する前に、上記した状態Ｂに各弁を制御する。これにより、燃料電池１０の水素極内の流体（液滴および残留ガス）が、バキュームタンク５３内の負圧によりオフガス循環経路３４を介して吸引される。バキュームタンク５３内の圧力が安定した後、水素供給経路開閉弁３３を開弁させて、水素供給装置３１から水素を燃料電池１０に供給することにより、燃料電池１０が発電を開始する。このとき、上記した状態Ｃに各弁を制御する。
【００６７】
そして、オフガス循環経路３４内の圧力とバキュームタンク５３内の圧力が平衡状態に達すると、上記した状態Ｄに各弁を制御する。オフガス循環経路３４内の圧力は大気圧よりも高いレベルに設定されているため、バキュームタンク５３内の圧力も大気圧より高くなっており、したがって、第２オフガス排出経路開閉弁５２が開弁した状態Ｄにおいては、バキュームタンク５３内の流体が大気中に放出される。
【００６８】
状態Ｄにてバキュームタンク５３内の流体を大気中に放出した後、状態Ｂから状態Ａに各弁を制御して、バキュームタンク５３内に再び負圧を蓄える。
【００６９】
本実施形態によると、燃料電池システムを起動する直前に燃料電池１０の水素極内の不純物を除去できるため、その不純物による燃料電池１０への悪影響を回避して、燃料電池１０を確実に起動させることができる。
【００７０】
また、燃料電池１０への水素供給量が少ないときや燃料電池１０への水素供給が絶たれているときでも、水素経路内の流体を吸引することができるため、燃料電池１０を安定的に作動させることができる。
【００７１】
また、空気のエネルギを動力源として作動する循環用エジェクタポンプ３９と、バキュームタンク５３とを用いて、水素経路内の流体を吸引するため、低温時にそれらが起動不能に陥ることはなく、低温環境下においても安定した燃料電池１０の起動性を得ることができる。
【００７２】
また、バキュームタンク５３内に予め蓄えた負圧により水素経路内の流体を吸引するため、すぐに流体の吸引を開始することができ、したがって、燃料電池１０の起動性を一層向上させることができる。
【００７３】
なお、本実施形態において、第２オフガス排出経路開閉弁５２が配置された側のオフガス排出経路５０、および第２オフガス排出経路開閉弁５２を廃止してもよい。この場合、分離水排出弁３６、第１オフガス排出経路開閉弁５１、およびオフガス循環経路開閉弁６０を、いずれも開弁状態にすることにより、バキュームタンク５３内の流体が分離水排出弁３６から大気中に放出される。
【００７４】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図３に基づいて説明する。第３実施形態は、上記第２実施形態に対して、オフガス排出経路５０の接続位置が異なるものである。なお、上記第２実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００７５】
本実施形態は、図３に示すように、オフガス排出経路５０は、循環用エジェクタポンプ３９とオフガス循環経路開閉弁６０との間において、オフガス循環経路３４に接続されている。
【００７６】
そして、バキュームタンク５３内に負圧を蓄える場合には、上記第２実施形態で述べた状態Ｂに各弁を制御することにより、循環用エジェクタポンプ３９の第１吸引部３９ａに発生する負圧によりバキュームタンク５３内が吸引される。
【００７７】
本実施形態によると、第２実施形態と同様の効果が得られる。
【００７８】
なお、本実施形態において、第２オフガス排出経路開閉弁５２が配置された側のオフガス排出経路５０、および第２オフガス排出経路開閉弁５２を廃止してもよい。この場合、分離水排出弁３６、第１オフガス排出経路開閉弁５１、およびオフガス循環経路開閉弁６０を、いずれも開弁状態にすることにより、バキュームタンク５３内の流体が分離水排出弁３６から大気中に放出される。
【００７９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図４に基づいて説明する。第４実施形態は、上記第３実施形態に対して、バキュームタンク５３内に負圧を蓄えるための構成が異なるものである。なお、上記第３実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００８０】
本実施形態は、図４に示すように、水素供給経路３０における循環用エジェクタポンプ３９の上流側に、負圧用エジェクタポンプ５４が配置されている。この負圧用エジェクタポンプ５４は、高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであり、具体的には、水素供給装置３１から供給される主供給水素の流体エネルギを利用するものである。なお、負圧用エジェクタポンプ５４は、本発明の流体式ポンプに相当する。
【００８１】
負圧用エジェクタポンプ５４の吸引部５４ａは、負圧供給経路５５を介してバキュームタンク５３に接続されている。また、負圧供給経路５５は、負圧供給経路開閉弁５６によって開閉されるようになっている。
【００８２】
なお、本実施形態では、第３実施形態におけるオフガス循環経路開閉弁６０が廃止されている。
【００８３】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。
【００８４】
本実施形態の以下の説明においては、第１オフガス排出経路開閉弁５１が閉弁、第２オフガス排出経路開閉弁５２が閉弁、負圧供給経路開閉弁５６が閉弁している状態を、状態１という。また、第１オフガス排出経路開閉弁５１が開弁、第２オフガス排出経路開閉弁５２が閉弁、負圧供給経路開閉弁５６が閉弁している状態を、状態２という。さらに、第１オフガス排出経路開閉弁５１が閉弁、第２オフガス排出経路開閉弁５２が閉弁、負圧供給経路開閉弁５６が開弁している状態を、状態３という。さらにまた、第１オフガス排出経路開閉弁５１が閉弁、第２オフガス排出経路開閉弁５２が開弁、負圧供給経路開閉弁５６が閉弁している状態を、状態４という。なお、水素供給経路開閉弁３３は、燃料電池システムの運転中は常に開弁している。
【００８５】
燃料電池システムの運転中、すなわち燃料電池１０の起動状態において、バキュームタンク５３内の圧力が所定の負圧よりも低い場合、上記した状態１に各弁を制御する。このときには、循環用エジェクタポンプ３９が発生する負圧により、オフガス循環経路３４を介してオフガスが吸引され、そのオフガスが水素供給経路３０に循環される。オフガスが循環される際、オフガス中の水分が気液分離器３５にて分離され、分離水排出弁３６を開弁させることにより、分離された水分がオフガス循環経路３４外に排出される。
【００８６】
バキュームタンク５３内の圧力が所定の負圧よりも高い場合、上記した状態３に各弁を制御する。このときには、負圧供給経路開閉弁５６が開弁していて、バキュームタンク５３が負圧用エジェクタポンプ５４の吸引部５４ａに接続された状態であるため、バキュームタンク５３内は、負圧用エジェクタポンプ５４が発生する負圧により吸引される。この後、バキュームタンク５３内の圧力が所定の負圧よりも低くなった場合、もしくは、燃料電池１０への水素供給が停止される場合に、上記した状態１に各弁を制御する。これにより、バキュームタンク５３内に所定の負圧を蓄える。
【００８７】
燃料電池システムの起動時には、上記した状態２に各弁を制御すると同時に、水素供給経路開閉弁３３を開弁させる。これにより、燃料電池１０の水素極内の流体（液滴および残留ガス）が、バキュームタンク５３内の負圧によりオフガス循環経路３４を介して吸引されるとともに、水素供給装置３１から燃料電池１０へ水素が供給される。
【００８８】
そして、オフガス循環経路３４内の圧力とバキュームタンク５３内の圧力が平衡状態に達すると、上記した状態４に各弁を制御する。オフガス循環経路３４内の圧力は大気圧よりも高いレベルに設定されているため、バキュームタンク５３内の圧力も大気圧より高くなっており、したがって、第２オフガス排出経路開閉弁５２が開弁した状態４においては、バキュームタンク５３内の流体が大気中に放出される。
【００８９】
状態４にてバキュームタンク５３内の流体を大気中に放出した後、状態３から状態１に各弁を制御して、バキュームタンク５３内に再び負圧を蓄える。
【００９０】
本実施形態によると、第３実施形態と同様の効果が得られる。また、一般的な燃料電池システムにおいては、水素供給装置３１内の高圧水素をレギュレータ３２にて減圧して循環用エジェクタポンプ３９側に供給するようになっており、その減圧により多くのエネルギを無駄に消費していたが、本実施形態では、循環用エジェクタポンプ３９よりも上流側に配置された負圧用エジェクタポンプ５４によって、従来、減圧時に無駄に消費していたエネルギが有効利用される。
【００９１】
なお、本実施形態において、第２オフガス排出経路開閉弁５２が配置された側のオフガス排出経路５０、および第２オフガス排出経路開閉弁５２を廃止してもよい。この場合、分離水排出弁３６および第１オフガス排出経路開閉弁５１をともに開弁状態にすることにより、バキュームタンク５３内の流体が分離水排出弁３６から大気中に放出される。
【００９２】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図５に基づいて説明する。第５実施形態は、上記第１実施形態に対して、水素経路内の流体を吸引するための構成が異なるものである。なお、上記第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００９３】
本実施形態では、第１実施形態における、第２空気供給経路２０ｂ、三方切替弁２３、空気側エジェクタポンプ４０、吸引経路４１、および吸引経路開閉弁４２が廃止されている。
【００９４】
本実施形態は、図５に示すように、空気排出経路２１には、空気排出経路２１を流通する空気のエネルギを動力源として作動して水素経路内の流体を吸引する空気側エジェクタポンプ７０が設けられている。因みに、空気側エジェクタポンプ７０は、高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであり、本発明の流体式ポンプに相当する。
【００９５】
オフガス循環経路３４における気液分離器３５よりも上流側から吸引経路７１が分岐しており、この吸引経路７１は空気側エジェクタポンプ７０の吸引部７０ａに接続されている。吸引経路７１には、吸引経路７１を開閉する吸引経路開閉弁７２が配置されている。
【００９６】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。
【００９７】
燃料電池システムを起動する前に、まず、吸引経路開閉弁７２を開弁させて、オフガス循環経路３４と空気側エジェクタポンプ７０との間を、吸引経路７１を介して連通状態にする。一方、水素供給経路開閉弁３３、オフガス排出経路開閉弁３８、および分離水排出弁３６は、いずれも閉弁させる。
【００９８】
この状態において、空気供給装置２２を作動させて空気の供給を開始すると、空気側エジェクタポンプ７０は、燃料電池１０の水素極内の流体（液滴および残留ガス）を、吸引経路７１を介して吸引する。吸引された流体は、空気排出経路２１を介して外部に排出される。この後、水素供給経路開閉弁３３を開弁させて、水素供給装置３１から水素を燃料電池１０に供給することにより、燃料電池１０が発電を開始する。
【００９９】
本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、燃料電池システムを起動する際に、空気供給装置２２の作動と同時に水素供給を開始した場合には、供給水素による押し出し作用と、両エジェクタポンプ３９、７０の吸引作用により、効率的に燃料電池１０内の不純物を排出することができる。この場合、燃料電池１０の起動確認と同時に吸引経路開閉弁７２を閉弁させる。
【０１００】
また、空気排出経路２１（すなわち、酸素極よりも下流側）は空気供給経路２０（すなわち、酸素極よりも上流側）よりも酸素が少ないため、吸引した流体中に含まれる水素成分と燃料電池１０から排出される空気とによって可燃状態が作り出される恐れはほとんどない。
【０１０１】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図６に基づいて説明する。第６実施形態は、上記第５実施形態に対して、吸引経路７１を開閉する第２吸引経路開閉弁７３と、吸引経路７１における第１、第２吸引経路開閉弁７２、７３の間に配置されたバキュームタンク７４を、追加したものである。なお、上記第５実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【０１０２】
燃料電池１０の起動状態において、第１吸引経路開閉弁７２を閉弁させ、第２吸引経路開閉弁７３を開弁させることにより、空気側エジェクタポンプ７０によりバキュームタンク７４内を吸引し、バキュームタンク７４内の圧力が所定の負圧よりも低くなった時点で第２吸引経路開閉弁７３を閉弁させることにより、バキュームタンク７４内に所定の負圧を蓄える。
【０１０３】
このようにしてバキュームタンク７４内に蓄えられた負圧は、燃料電池１０の起動時において、水素極内の不純物除去に利用される。この不純物除去は、次のようにして行われる。すなわち、第２吸引経路開閉弁７３が閉弁している状態において第１吸引経路開閉弁７２を開弁させることにより、燃料電池１０の水素極内の流体（液滴および残留ガス）が、バキュームタンク７４内の負圧によりオフガス循環経路３４を介して吸引される。
【０１０４】
その後、第１吸引経路開閉弁７２が開弁し第２吸引経路開閉弁７３が閉弁している状態で、水素供給および酸素供給を開始する。そして、バキュームタンク７４内の圧力が安定した後、第１吸引経路開閉弁７２を閉弁させ、第２吸引経路開閉弁７３を開弁させることにより、バキュームタンク７４内の流体は、空気側エジェクタポンプ７０により吸引され空気排出経路２１を介して外部に排出される。この状態において、バキュームタンク７４内の圧力が所定の負圧よりも低くなった時点で第２吸引経路開閉弁７３を閉弁させることにより、バキュームタンク７４内に所定の負圧を蓄える。
【０１０５】
本実施形態によると、第５実施形態と同様の効果が得られる。また、バキュームタンク７４内に予め蓄えた負圧により水素経路内の流体を吸引するため、すぐに流体の吸引を開始することができ、したがって、燃料電池１０の起動性を一層向上させることができる。
【０１０６】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図７に基づいて説明する。第７実施形態は、上記第５実施形態に対して、水素経路内の流体を吸引するための構成が異なるものである。なお、上記第５実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【０１０７】
本実施形態は、図７に示すように、空気排出経路２１は、第１空気排出経路２１ａと第２空気排出経路２１ｂとに分岐された後、再び合流している。両空気排出経路２１ａ、２１ｂの分岐部には、燃料電池１０から排出された空気の流れを両空気排出経路２１ａ、２１ｂの一方に切替え制御する三方切替弁２４が配置されている。そして、第２空気排出経路２１ｂに、空気側エジェクタポンプ７０が設けられている。
【０１０８】
燃料電池１０を起動する際には、燃料電池１０から排出された空気を第２空気排出経路２１ｂに流すように三方切替弁２４を制御し、吸引経路開閉弁７２を開弁させ、空気供給装置２２を作動させる。これにより、空気側エジェクタポンプ７０は、燃料電池１０の水素極内の流体（液滴および残留ガス）を、吸引経路７１を介して吸引する。吸引された流体は、空気排出経路２１を介して外部に排出される。
【０１０９】
燃料電池１０の起動後は、燃料電池１０から排出された空気を第１空気排出経路２１ａに流すように三方切替弁２４を制御し、吸引経路開閉弁７２を閉弁させる。
【０１１０】
本実施形態によると、第５実施形態と同様の効果が得られる。また、燃料電池１０の起動後は、燃料電池１０からの空気を空気側エジェクタポンプ７０を介さないで排出するため、排気損失が低減される。したがって、空気供給装置２２が電動式である場合、空気供給装置２２の負荷低減により省電力化を図ることができる。
【０１１１】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態について図８に基づいて説明する。第８実施形態は、上記第７実施形態に対して、吸引経路７１を開閉する第２吸引経路開閉弁７３と、吸引経路７１における第１、第２吸引経路開閉弁７２、７３の間に配置されたバキュームタンク７４を、追加したものである。なお、上記第７実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【０１１２】
燃料電池１０の起動状態において、燃料電池１０から排出された空気を第２空気排出経路２１ｂに流すように三方切替弁２４を制御し、第１吸引経路開閉弁７２を閉弁させ、第２吸引経路開閉弁７３を開弁させることにより、空気側エジェクタポンプ７０によりバキュームタンク７４内を吸引し、バキュームタンク７４内の圧力が所定の負圧よりも低くなった時点で第２吸引経路開閉弁７３を閉弁させることにより、バキュームタンク７４内に所定の負圧を蓄える。
【０１１３】
そして、第２吸引経路開閉弁７３が閉弁している状態において第１吸引経路開閉弁７２を開弁させることにより、燃料電池１０の水素極内の流体（液滴および残留ガス）が、バキュームタンク７４内の負圧によりオフガス循環経路３４を介して吸引される。
【０１１４】
その後、バキュームタンク７４内の圧力が安定した後、第１吸引経路開閉弁７２を閉弁させ、第２吸引経路開閉弁７３を開弁させることにより、バキュームタンク７４内の流体は、空気側エジェクタポンプ７０により吸引され空気排出経路２１を介して外部に排出される。
【０１１５】
本実施形態によると、第７実施形態と同様の効果が得られる。また、バキュームタンク７４内に予め蓄えた負圧により水素経路内の流体を吸引するため、すぐに流体の吸引を開始することができ、したがって、燃料電池１０の起動性を一層向上させることができる。
【０１１６】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、燃料電池１０から排出されるオフガスを燃料電池１０に再循環させるようにした、いわゆる循環式の燃料電池システムを示したが、オフガスの再循環を行わない、いわゆる閉塞式の燃料電池システムにも、本発明は適用することができる。
【０１１７】
また、本発明の燃料電池システムを車両に搭載する場合、エジェクタポンプの負圧を、車両のブレーキシステムに利用することができる。すなわち、走行用駆動源が電動機で、かつ負圧式のブレーキブースタを備える車両においては、ブレーキブースタに供給する負圧を得るために電動ポンプを用いているが、エジェクタポンプの負圧を利用してブレーキブースタを作動させるようにすれば、上記の電動ポンプの廃止によるブレーキシステムの簡素化、あるいは、上記の電動ポンプの省動力化による燃費向上の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図３】第３実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図４】第４実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図５】第５実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図６】第６実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図７】第７実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図８】第８実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２０…空気供給経路（空気経路）、
２１…空気排出経路（空気経路）、２２…空気供給装置、
３０…水素供給経路（水素経路）、３４…オフガス循環経路（水素経路）、
４０…エジェクタポンプ（流体式ポンプ）。
【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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【図８】
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