(57)【要約】【課題】燃料循環式燃料電池システムにおいて、システム全体の燃費向上を図る。【解決手段】水素ガスおよび空気を供給されて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に水素ガスを供給する水素ガス供給流路１０と、燃料電池１から排出される水素オフガスを水素ガス供給流路１０に合流させる水素オフガス循環流路２０と、を備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、水素オフガス循環流路２０内の流体と所定の別流体（空気あるいは空気オフガス）との間で水分を移動させることにより水素オフガス循環流路２０内の流体の湿度を所望に調整可能にする水透過膜式湿度調整装置２１を、水素オフガス循環流路２０に備える。【選択図】　　図１
2004071349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料および酸化剤を供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給流路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給流路に合流させる循環流路と、を備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、
前記循環流路および／または前記合流後の燃料供給流路の内部流体と所定の別流体との間で水分を移動させることにより前記循環流路内の流体の湿度を所望に調整可能にする水透過膜式湿度調整装置を、前記循環流路および／または前記合流後の燃料供給流路に備えることを特徴とする燃料循環式燃料電池システム。
【請求項２】
前記湿度調整装置に供給される前記別流体は、前記酸化剤または前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料循環式燃料電池システム。
【請求項３】
前記湿度調整装置に供給される前記別流体として、前記内部流体よりも低い湿度の流体と高い湿度の流体のいずれか一方を選択供給可能にする切り替え手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料循環式燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池に供給される酸化剤は、前記酸化剤オフガスの水分を該酸化剤に移動可能な膜加湿器によって加湿されたのちに前記燃料電池に供給され、
前記湿度調整装置に供給される前記別流体として前記膜加湿器に導入される前の前記酸化剤と前記酸化剤オフガスのいずれか一方を選択供給可能にする第１の切り替え手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料循環式燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池に供給される燃料の湿度を検出する湿度センサと前記燃料オフガスの湿度を検出する湿度センサの少なくとも一方の湿度センサを備え、この湿度センサで検出された湿度に基づいて前記第１の切り替え手段が切り替えられることを特徴とする請求項４に記載の燃料循環式燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備え、前記セル電圧検出手段で検出されたセル電圧に基づいて前記第１の切り替え手段が切り替えられることを特徴とする請求項４に記載の燃料循環式燃料電池システム。
【請求項７】
前記湿度調整装置から排出される前記別流体を、前記酸化剤に合流させる流路と系外に排出させる流路のいずれか一方に選択的に流通可能にする第２の切り替え手段を備えることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれかに記載の燃料循環式燃料電池システム。
【請求項８】
前記湿度調整装置に供給される前記別流体の湿度は、前記燃料電池に供給される前記燃料の目標湿度に応じて予め調整されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料循環式燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料オフガスが合流する前の前記燃料を前記燃料電池内における前記燃料が流通する流路の途中に供給する補助燃料供給流路を備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料循環式燃料電池システム。
【請求項１０】
前記循環流路にはパージ用バルブが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の燃料循環式燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料循環式燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
この燃料電池では、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。このように、燃料電池での発電には水の生成を伴うので、燃料電池から排出される酸化剤ガス（すなわち、酸化剤オフガス）には水分が含まれている。また、燃料電池から排出される燃料ガス（すなわち、燃料オフガス）にも生成水が固体高分子電解質膜を透過してくることにより水分が含まれている。
また、この種の燃料電池では、一般に、発電に供された後に燃料電池から排出される燃料ガス、すなわち燃料オフガスには未反応の燃料ガスが含まれているので、燃費向上のため、燃料オフガスをリサイクルさせ新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給している。
【０００４】
ところで、この燃料電池にあっては、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、発電出力が低下するため、良好な発電性能を保つために固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。
このため、この種の燃料電池では、一般に、燃料電池に供給する前に予め燃料ガスあるいは酸化剤ガス若しくはこれら両方のガスを加湿器で加湿し、加湿されたこれらガスを固体高分子電解質膜に供給することにより、固体高分子電解質膜に水分を供給している（特開平８−２７３６８７号等）。
【０００５】
一方、固体高分子電解質膜への水分供給が過多になると、燃料電池内部のガス通路内で水蒸気が凝縮して該ガス通路を閉塞（フラッディング）し、ガス供給を阻害して発電が不安定になり、発電出力（セル電圧）が低下する場合がある。特に、アノード側においては、燃料オフガスを循環利用しているため、水分が徐々に増えていく傾向にあり、水分過多になり易い。
そのため、従来は、セル電圧が低下した場合には、燃料オフガスの循環流路に設けられたパージ弁を開放して燃料オフガスを外部にパージし、燃料電池内部のガス流速を一時的に速めることにより燃料電池内の余分な水分を系外に放出し、発電を安定させてセル電圧を回復させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のようにパージ弁を開放して水分を放出するようにした場合には、水分の放出と同時に燃料ガスも系外に放出されることとなるため、燃料消費率（燃費という場合もある）が悪くなるという問題がある。
そこで、この発明は、燃料電池のアノードに供給される燃料の湿度を最適に制御することができ、燃料の外部放出の抑制により燃費向上を図ることができる燃料循環式燃料電池システムを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料（例えば、後述する実施の形態における水素ガス）および酸化剤（例えば、後述する実施の形態における空気）を供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給流路１０）と、前記燃料電池から排出される燃料オフガス（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス）を前記燃料供給流路に合流させる循環流路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路２０）と、を備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、前記循環流路および／または前記合流後の燃料供給流路の内部流体と所定の別流体との間で水分を移動させることにより前記循環流路内の流体の湿度を所望に調整可能にする水透過膜式湿度調整装置（例えば、後述する実施の形態における湿度調整装置２１）を、前記循環流路および／または前記合流後の燃料供給流路に備えることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料を放出することなく燃料オフガスの湿度を所望に調整することができ、その結果、燃料電池に供給される燃料の湿度を所望に調整することができる。
なお、「湿度を所望に調整可能にする」とは、単にこれまでより高い湿度へと調整可能にするのみならず、必要に応じてこれまでより低い湿度に変更調整可能としたり、一定の湿度に維持調整可能にするものを含む意味である。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記湿度調整装置に供給される前記別流体は、前記酸化剤または前記燃料電池から排出される酸化剤オフガス（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス）であることを特徴とする。
このように構成することにより、湿度調整装置に供給される前記別流体を簡単に用意することがが可能になる。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記湿度調整装置に供給される前記別流体として、前記内部流体よりも低い湿度の流体と高い湿度の流体のいずれか一方を選択供給可能にする切り替え手段（例えば、後述する実施の形態における第１切替弁４１）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、湿度調整装置の除湿機能と加湿機能の切り替えが簡単にできる。
【００１０】
請求項４に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記燃料電池に供給される酸化剤は、前記酸化剤オフガスの水分を該酸化剤に移動可能な膜加湿器（例えば、後述する実施の形態におけるカソード加湿器３）によって加湿されたのちに前記燃料電池に供給され、前記湿度調整装置に供給される前記別流体として前記膜加湿器に導入される前の前記酸化剤と前記酸化剤オフガスのいずれか一方を選択供給可能にする第１の切り替え手段（例えば、後述する実施の形態における第１切替弁４１）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、第１の切り替え手段によって、前記膜加湿器に導入される前の前記酸化剤を前記別流体として選択した場合には湿度調整装置を除湿器として機能させることができ、酸化剤オフガスを前記別流体として選択した場合には湿度調整装置を加湿器として機能させることができる。
【００１１】
請求項５に記載した発明は、請求項４に記載の発明において、前記燃料電池に供給される燃料の湿度を検出する湿度センサ（例えば、後述する実施の形態における湿度センサ６１）と前記燃料オフガスの湿度を検出する湿度センサの少なくとも一方の湿度センサを備え、この湿度センサで検出された湿度に基づいて前記第１の切り替え手段が切り替えられることを特徴とする。
このように構成することにより、前記湿度センサで検出される湿度に基づいて除湿と加湿のいずれが必要かを判断し、その判断結果に応じて第１の切り替え手段を切り替えることができる。
【００１２】
請求項６に記載した発明は、請求項４に記載の発明において、前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段（例えば、後述する実施の形態におけるセル電圧センサ６４）を備え、前記セル電圧検出手段で検出されたセル電圧に基づいて前記第１の切り替え手段が切り替えられることを特徴とする。
このように構成することにより、セル電圧検出手段で検出されるセル電圧に基づいて除湿と加湿のいずれが必要かを判断し、その判断結果に応じて第１の切り替え手段を切り替えることができる。
【００１３】
請求項７に記載した発明は、請求項４から請求項６のいずれかに記載の発明において、前記湿度調整装置から排出される前記別流体を、前記酸化剤に合流させる流路（例えば、後述する実施の形態における湿調空気排出流路５５）と系外に排出させる流路（例えば、後述する実施の形態における湿調空気排出流路５６）のいずれか一方に選択的に流通可能にする第２の切り替え手段（例えば、後述する実施の形態における第２切替弁４２）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、湿度調整装置を除湿器として機能させているときに、第２の切り替え手段によって、湿度調整装置から排出される別流体を酸化剤に合流させる流路に流通するように切り替えると、燃料オフガスから除去した水分を酸化剤とともに燃料電池のカソードに供給することができる。
【００１４】
請求項８に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記湿度調整装置に供給される前記別流体の湿度は、前記燃料電池に供給される前記燃料の目標湿度に応じて予め調整されていることを特徴とする。
このように構成することにより、湿度調整装置において燃料オフガスの湿度は予め所定に調整された前記別流体の湿度と平衡するので、燃料オフガスの湿度を目標とする所定の湿度に自動調整することができる。
【００１５】
請求項９に記載した発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の発明において、前記燃料オフガスが合流する前の前記燃料を前記燃料電池内における前記燃料が流通する流路の途中に供給する補助燃料供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給流路１３）を備えることを特徴とする。
燃料電池内を流通する燃料は燃料電池の出口に接近するにしたがって湿度が上昇していくが、前述のように構成することにより、燃料電池の途中で燃料の湿度を下げることができる。
【００１６】
請求項１０に記載した発明は、請求項１から請求項９のいずれかに記載の発明において、前記循環流路にはパージ用バルブ（例えば、後述する実施の形態におけるパージ弁２３）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、必要に応じてパージ用バルブを開放して燃料オフガスを放出することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料循環式燃料電池システムの態様である。
【００１８】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る燃料循環式燃料電池システム（以下、燃料電池システムと略す）の第１の実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【００１９】
大気からエアクリーナ５を介して取り入れられた空気はコンプレッサ２により加圧され、空気流路３１を通って燃料電池１のカソードに供給される。空気流路３１にはカソード加湿器（膜加湿器）３が設けられており、空気はカソード加湿器３の加湿側に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気オフガスとして空気オフガス流路３２に排出され、カソード加湿器３の加湿媒体側に供給された後、圧力制御弁４を介して排出される。カソード加湿器３において、空気オフガスの水分が燃料電池１に供給される空気に受け渡されて、該空気が加湿される。したがって、燃料電池１のカソードにはカソード加湿器３で加湿された空気が供給される。
【００２０】
一方、水素タンク６から供給される水素ガスは、レギュレータ７で所定圧力に減圧された後、水素ガス供給流路（燃料供給流路）１０を通って燃料電池１のアノードに供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、アノード側の生成水と共に水素オフガスとしてアノードから水素オフガス循環流路（循環流路）２０に排出される。水素オフガス循環流路２０は、水素オフガスをエゼクタ１１を介して水素ガス供給流路１０に合流させる流路であり、水素オフガス循環流路２０には湿度調整装置２１と水素ポンプ２２が設けられている。
【００２１】
湿度調整装置２１は、ガスの透過を阻止し水蒸気の透過だけを許可する非多孔質な透過膜（イオン水和型透過膜あるいは溶解拡散型透過膜など）２１ｃを挟んで第１流路２１ａと第２流路２１ｂを備えており、透過膜２１ｃは透過膜２１ｃの両面に接する流体間で水分量の多い流体から水分量の少ない流体に水分を移動させる性質を有している。すなわち、湿度調整装置２１はいわゆる水透過膜式湿度調整装置で構成されている。透過膜２１ｃの素材としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを例示することができる。
水素オフガス循環流路２０は湿度調整装置２１の第１流路２１ａに接続されており、その内部流体である水素オフガスは第１流路２１ａを流通した後、水素ポンプ２２で加圧されてエゼクタ１１に導入され、水素タンク６から供給される新鮮な水素ガスと合流して、再び燃料電池１のアノードに供給される。
なお、湿度調整装置２１は、水素オフガス循環流路２０に配置する以外にも、上記合流後の水素ガス供給流路１０に配置してもよい。この場合、湿度調整装置２１の第１流路２１ａに合流後の水素ガス供給流路１０が接続され、水素オフガスと新鮮な水素ガスとが合流した後のガス（これが内部流体である）が第１流路２１ａを流通した後、燃料電池１のアノードに供給される。さらに、湿度調整装置２１を水素オフガス循環流路２０と合流後の水素ガス供給流路１０との両方に配置してもよく、いずれの配置であっても燃料電池１に供給される水素ガスの湿度調整が行われる。
【００２２】
湿度調整装置２１の第２流路２１ｂの入口は、湿度調整用空気供給流路（以下、湿調空気供給流路と略す）５１を介して第１切替弁（第１の切り替え手段）４１に接続されている。第１切替弁４１は３つのポートを有し、その第１ポートに湿調空気供給流路５１が接続され、第２ポートにカソード加湿器３よりも上流の空気流路３１から分岐した湿調空気供給流路５２が接続され、第３ポートにカソード加湿器３よりも上流の空気オフガス流路３２から分岐した湿調空気供給流路５３が接続されている。第１切替弁４１は、第２ポートと第３ポートのいずれか一方を選択して第１ポートに接続する切替弁であり、第２ポートが選択された場合にはカソード加湿器３で加湿される前の湿度の低い乾燥した空気を湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給可能となり、第３ポートが選択された場合には燃料電池１から排出された湿度の高い空気オフガスを湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給可能となる。
【００２３】
また、湿度調整装置２１の第２流路２１ｂの出口は、湿度調整用空気排出流路（以下、湿調空気排出流路と略す）５４を介して第２切替弁（第２の切り替え手段）４２に接続されている。第２切替弁４２は３つのポートを有し、その第１ポートに湿調空気排出流路５４が接続され、第２ポートにカソード加湿器３よりも下流の空気流路３１に連なる湿調空気排出流路５５が接続され、第３ポートに圧力制御弁４より下流の空気オフガス流路３２に連なる湿調空気排出流路５６が接続されている。第２切替弁４２は、第２ポートと第３ポートのいずれか一方を選択して第１ポートに接続する切替弁であり、第２ポートが選択された場合には湿度調整装置２１の第２流路２１ｂから排出された空気をカソード加湿器３よりも下流の空気流路３１に排出可能となり、第３ポートが選択された場合には圧力制御弁４よりも下流の空気オフガス流路３２に排出可能となる。
【００２４】
次に、この燃料電池システムの作用を説明する。
図２は、燃料電池１のアノードガス流路内における湿度変化の様子を示したものであり、燃料電池１のアノード出口に接近するにしたがって徐々に湿度が上昇していく。
ここで、燃料電池１の発電性能を高く維持するためには、燃料電池１のアノード出口における水素ガスの湿度を１００％を超えない範囲で可能な限り高く管理するのが良いとされている。湿度が１００％を越えると燃料電池１内で水素ガス中の水分が凝縮しフラッデイングを起こす虞があるからであり、また、湿度が低いとイオン伝導率が低下する虞があるからである。
【００２５】
そこで、この燃料電池システムでは、切替弁４１，４２を切り替えることにより、燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの湿度（換言すれば、アノード入口における水素ガスの湿度）を適切に調整し、アノード出口における水素ガスの湿度を前述の如く適切な湿度となるようにする。
例えば、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度が不足している場合には、第１切替弁４１の第１ポートと第３ポートを接続し第２ポートを遮断するように第１切替弁４１を切り替え、第２切替弁４２の第１ポートと第３ポートを接続し第２ポートを遮断するように第２切替弁４２を切り替える。
【００２６】
このように第１切替弁４１を切り替えると、燃料電池１のカソードから排出されカソード加湿器３に導入される前の湿度の高い空気オフガスが、湿調空気供給流路５３，５１を介して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される。その結果、湿度調整装置２１において、第２流路２１ｂに湿度の高い空気オフガスが流れ、この空気オフガスよりも湿度の低い水素オフガスが第１流路２１ａに流れるので、空気オフガス中の水分が透過膜２１ｃを介して水素オフガスへと移動し、水素オフガスを加湿する。すなわち、この場合には、湿度調整装置２１は水素オフガスを加湿する加湿器として機能する。なお、前述したように、湿度調整装置２１の透過膜２１ｃはガスの透過を阻止するので、第１流路２１ａの水素オフガス中の水素ガスが第２流路２１ｂに透過することはなく、また、第２流路２１ｂの空気オフガス中の酸素が第１流路２１ａに透過することもない。
【００２７】
このようにして加湿された水素オフガスが水素オフガス循環流路２０を通って水素ガス供給流路１０に合流せしめられるので、燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの湿度を上げることができ、その結果、アノード出口における水素ガスの湿度を上げることができる。
そして、湿度調整装置２１の第２流路２１ｂからは、水素オフガスに水分を奪われて湿度が下がった空気オフガスが湿調空気排出流路５４に排出される。この湿度の低い空気オフガスは、第２切替弁４２が前述のように切り替えられているので、湿調空気排出流路５６を通って、圧力制御弁４よりも下流の空気オフガス流路３２に排出される。
【００２８】
一方、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度が過度である場合には、第１切替弁４１の第１ポートと第２ポートを接続し第３ポートを遮断するように第１切替弁４１を切り替え、第２切替弁４２の第１ポートと第２ポートを接続し第３ポートを遮断するように第２切替弁４２を切り替える。
【００２９】
このように第１切替弁４１を切り替えると、コンプレッサ２から圧送されたカソード加湿器３に導入される前の湿度の低い乾燥した空気が、湿調空気供給流路５２，５１を介して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される。その結果、湿度調整装置２１において、第１流路２１ａに湿度の高い水素オフガスが流れ、第２流路２１ｂに湿度の低い乾燥した空気が流れるので、水素オフガス中の水分が透過膜２１ｃを介して乾燥した空気へと移動し、水素オフガスを除湿する。すなわち、この場合には、湿度調整装置２１は水素オフガスを除湿する除湿器として機能する。なお、前述したように、湿度調整装置２１の透過膜２１ｃはガスの透過を阻止するので、第１流路２１ａの水素オフガス中の水素ガスが第２流路２１ｂに透過することはなく、また、第２流路２１ｂの空気中の酸素が第１流路２１ａに透過することもない。
このようにして除湿された水素オフガスが水素オフガス循環流路２０を通って水素ガス供給流路１０に合流せしめられるので、燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの湿度を下げることができ、その結果、アノード出口における水素ガスの湿度を下げることができる。
【００３０】
そして、湿度調整装置２１の第２流路２１ｂからは、水素オフガスから水分を譲り受けて湿度が上がった空気が湿調空気排出流路５４に排出される。この湿度の高い空気は、第２切替弁４２が前述のように切り替えられているので、湿調空気排出流路５５を通って、カソード加湿器３よりも下流の空気流路３１に排出される。これにより、水素オフガスから奪った水分を含む湿度の高い空気を、カソード加湿器３で加湿された空気と合流させて、燃料電池１のカソードに供給することができる。その結果、燃料電池１のアノードの水分をカソードの加湿に利用することができ、カソードの加湿性能が向上する。
【００３１】
このようにして燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの湿度が適切に調整されるので、燃料電池１のアノードで水分が過多になったり過少になるのを防止することができる。したがって、燃料電池１の発電性能の低下を防止することができ、各セル電圧の低下を防止することができる。
しかも、水素ガスを放出することなくアノードに供給される水素ガスの湿度調整ができるので、水素タンク６から供給された水素ガスの総てを燃料電池１の発電に利用することができ、燃料電池システム全体としての燃費が向上する。
【００３２】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第２の実施の形態を図３の図面を参照して説明する。第２の実施の形態の燃料循環式燃料電池システムが第１の実施の形態のものと相違する点は以下の通りである。
第２の実施の形態における燃料電池システムにおいては、第１の実施の形態における第１切替弁４１および第２切替弁４２と、湿調空気供給流路５１〜５３と、湿調空気排出流路５４〜５６を備えていない。
【００３３】
また、第２の実施の形態における燃料電池システムでは、第１の実施の形態におけるカソード加湿器３に代えて、第１カソード加湿器３Ａと第２カソード加湿器３Ｂが設けられている。コンプレッサ２で加圧された空気は、空気通路３１を通って燃料電池１のカソード入口に到達するまでの間に、第１カソード加湿器３Ａの加湿側と第２カソード加湿器３Ｂの加湿側を順に流通する。また、燃料電池１のカソードから排出された空気オフガスは空気オフガス流路３２を通って圧力制御弁４に到達するまでの間に、第２カソード加湿器３Ｂの加湿媒体側と第１カソード加湿器３Ａの加湿媒体側を順に流通する。
【００３４】
さらに、第２の実施の形態における燃料電池システムでは、湿度調整装置２１の第２流路２１ｂの入口に、第１カソード加湿器３Ａと第２カソード加湿器３Ｂの間の空気流路３１から分岐され第１流量制御弁４３を備えた湿調空気供給流路５７が接続されており、第１カソード加湿器３Ａで加湿された空気が所定流量で第２流路２１ｂに供給されるようになっている。また、第２流路２１ｂの出口は、湿調空気排出流路５９を介して、第２カソード加湿器３Ｂよりも下流の空気流路３１に接続されている。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】
この第２の実施の形態における燃料電池システムでは、アノード入口における水素ガスの目標湿度（以下、アノード入口目標湿度と略す）に基づいて、水素ガス供給流路１０に合流する水素オフガスの目標湿度（以下、水素オフガス目標湿度と略す）を設定する。そして、第１カソード加湿器３Ａで加湿された空気の湿度が、水素オフガス目標湿度と同じになるように、予め第１カソード加湿器３Ａの加湿性能を設定しておく。
このように第１カソード加湿器３Ａの加湿性能を設定すると、水素オフガス目標湿度と同じ湿度の空気が、湿調空気供給流路５７を介して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される。その結果、湿度調整装置２１の第１流路２１ａに水素オフガス目標湿度よりも低い湿度の水素オフガスが流れている場合には、第１流路２１ａを流れる空気中の水分が透過膜２１ｃを介して第２流路２１ｂを流れる水素オフガスへと移動して水素オフガスを加湿し、逆に、湿度調整装置２１の第１流路２１ａに水素オフガス目標湿度よりも高い湿度の水素オフガスが流れている場合には、第２流路２１ｂを流れる水素オフガス中の水分が透過膜２１ｃを介して第１流路２１ａを流れる空気へと移動して水素オフガスを除湿する。
したがって、水素オフガスの湿度を水素オフガス目標湿度に自動調整することができ、その結果、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度をアノード入口目標湿度に自動調整することができる。
【００３６】
また、この第２の実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池１内において、カソード側に生じた生成水が固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散する量が少なくて、アノード側の水分が不足する場合には、カソードから排出される空気オフガス中の水分量が増えるので、第１カソード加湿器３Ａによる空気への加湿量が増え、湿調空気供給流路５７を介して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される空気の湿度が上がって、第１流路２１ａを流れる水素オフガスへの加湿量が増えるという自己制御が期待できる。
その逆に、燃料電池１内において、カソード側に生じた生成水が固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散する量が多くて、アノード側の水分が余る場合には、カソードから排出される空気オフガス中の水分量が減るので、第１カソード加湿器３Ａによる空気への加湿量が減り、湿調空気供給流路５７を介して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される空気の湿度が下がって、第１流路２１ａを流れる水素オフガスへの加湿量が減るという自己制御が期待できる。
【００３７】
なお、第１流量制御弁４３よりも下流の湿調空気供給流路５７に、第１カソード加湿器３Ａよりも上流の空気流路３１から分岐された湿調空気供給流路５８を接続し、この湿調空気供給流路５８に第２流量制御弁４４を設け、水素オフガスに対する加湿、除湿の要求に応じて、第１流量制御弁４３と第２流量制御弁４４の開度を調整して湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される空気の湿度を微調整することも可能である。
ただし、アノード入口目標湿度の許容範囲が大きい場合には、第２流路２１ｂに供給される空気湿度の微調整も必要ないので、湿調空気供給流路５８および第２流量制御弁４４は必要ない。
【００３８】
このように、第２の実施の形態の燃料電池システムの場合には、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度をアノード入口目標湿度に自動調整することができるので、燃料電池１のアノードで水分が過多になったり過少になるのを防止することができる。したがって、燃料電池１の発電性能の低下を防止することができ、各セル電圧の低下を防止することができる。
また、この第２の実施の形態においても、水素ガスを放出することなくアノードに供給される水素ガスの湿度調整ができるので、水素タンク６から供給された水素ガスの総てを燃料電池１の発電に利用することができ、燃料電池システム全体としての燃費が向上する。
【００３９】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第３の実施の形態を図４の図面を参照して説明する。
第３の実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、第１切替弁４１および第２切替弁４２の切り替えと第２流路２１ｂを流れる流体の流量を、燃料電池１の運転状態に応じて自動制御するという点だけである。
これを実現するために、第３の実施の形態では、第１切替弁４１を流量制御も可能な切替弁とし、エゼクタ１１と燃料電池１の間の水素ガス供給流路１０と、燃料電池１と湿度調整装置２１の間の水素オフガス循環流路２０と、湿度調整装置２１と水素ポンプ２２の間の水素オフガス循環流路２０のいずれかの流路に湿度センサを設けている。この実施の形態では、例として、エゼクタ１１と燃料電池１の間の水素ガス供給流路１０に湿度センサ６１を設けた場合を示している。その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４０】
そして、湿度センサ６１は湿度に応じた電気信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００は、湿度センサ６１の出力信号に基づいて、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度を適切に保持すべく、第１切替弁４１および第２切替弁４２の切り替えを制御するとともに、第２流路２１ｂへの空気供給流量を制御する。このようにすると、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度をより正確に目標値に制御することができる。
なお、湿度センサ６１を設けずに、燃料電池１に設けられているセル電圧センサ（セル電圧検出手段）６４の出力信号に基づいて、第１切替弁４１および第２切替弁４２の切り替えを制御するとともに、第２流路２１ｂへの空気供給流量を制御して、燃料電池１のアノード入口における水素ガスの湿度を適切に保持することも可能である。
このようにセル電圧で水素ガス湿度を調整する場合、例えばセル電圧が時間経過に対しゆっくり下がるときには湿度不足と判断し、急激に下がる時には湿度過多と判断することで湿度調整ができる。
【００４１】
〔第４の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池システムの第４の実施の形態を図５および図６の図面を参照して説明する。
第４の実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池が２つの燃料電池を直列に接続して構成されている。水素ガスは水素ガス供給流路１０から第１燃料電池１Ａのアノードに供給され、第１燃料電池１Ａのアノードから排出された水素オフガスが水素オフガス流路２３を介して第２燃料電池１Ｂのアノードに供給され、第２燃料電池１Ｂのアノードから排出された水素オフガスが水素オフガス循環流路２０に排出されて湿度調整装置２１の第１流路２１ａに供給されるようになっている。また、カソード加湿器３で加湿された空気は空気流路３１から第２燃料電池１Ｂのカソードに供給され、第２燃料電池１Ｂのカソードから排出された空気オフガスが空気オフガス流路３３を介して第１燃料電池１Ａのカソードに供給され、第１燃料電池１Ａのカソードから排出された空気オフガスが空気オフガス流路３２に排出されてカソード加湿器３の加湿媒体側に供給されるようになっている。
【００４２】
また、第１燃料電池１Ａのアノード出口と第２燃料電池１Ｂのアノード入口を接続する水素オフガス流路２３には、エゼクタ１１よりも上流の水素ガス供給流路１０から分岐され流量制御弁１２を備えた水素ガス供給流路（補助燃料供給流路）１３が接続されている。
そして、水素タンク６から放出された乾燥した水素ガスが水素ガス供給流路１３を介して水素オフガス流路２３に供給され、第２燃料電池１Ｂのアノードには、前記乾燥した水素ガスと第１燃料電池１Ａから排出される水素オフガスとが混合されて供給されるようになっている。
なお、第１燃料電池１Ａと第２燃料電池１Ｂをこれらを直列に接続してなる一つの燃料電池とみなした場合、水素ガス供給流路１３は、水素オフガスが合流する前の水素ガスを、燃料電池内における水素ガス流路の途中に供給する流路ということができる。
【００４３】
このように構成された第４の実施の形態の燃料電池システムによれば、第１の実施の形態の燃料電池システムにおける作用・効果を得ることができるだけでなく、さらに次のような作用・効果を得ることができる。
すなわち、第４の実施の形態の燃料電池システムでは、図６の湿度変化図に示すように、第１燃料電池１Ａのアノード出口における水素ガスの湿度が上昇しても、第２燃料電池１Ｂのアノード入口における水素ガスの湿度を下げることができ、水素ガス供給流路１３から乾燥した水素ガスを導入しないときよりも、第２燃料電池１Ｂのアノードガス流路内全体の水素ガスの湿度を下げることができる。なお、図６における破線は、水素ガス供給流路１３から乾燥した水素ガスを導入せずに、第１燃料電池１Ａから排出された水素オフガスを第２燃料電池１Ｂのアノードに供給したときの水素ガスの湿度変化を示している。
したがって、第４の実施の形態の燃料電池システムによれば、第２燃料電池１Ｂのアノードにおけるフラッディングをより確実に防止することができる。
なお、前述した第２の実施の形態あるいは第３の実施の形態の燃料電池システムに水素ガス供給流路１３および流量制御弁１２を設けた場合にも、同様の効果を得ることができる。
【００４４】
なお、前述した各実施の形態の燃料電池システムにおいては、湿度調整装置２１の第２流路２１ｂに供給される湿度調整用流体として、燃料電池１のカソードに供給される空気や燃料電池１のカソードから排出される空気オフガスを用いているので、湿度調整用流体を別個に用意する必要がなく、システム構成が簡単になる。
【００４５】
また、燃料電池１の発電性能はアノードの水分過多以外の要因で低下することも考えられる。例えば、水素オフガスの循環利用は水素以外の不純物（例えば、窒素）の濃度上昇を生じさせることがあり、この不純物濃度の上昇が燃料電池１の発電性能を低下させることが考えられる。
そこで、図１において破線で示すように、湿度調整装置２１と水素ポンプ２２を接続する水素オフガス流路２０にパージ弁（パージ用バルブ）２３を設けておき、燃料電池１の発電性能が低下したときに、アノード入口における水素ガスの湿度調整を行っても発電性能が回復しない場合に、パージ弁２３を開放することにより発電性能を回復することができるようにすることも可能である。このようにパージ弁２３を設けた場合であっても、従来よりは水素の放出を極めて少なくすることができる。なお、パージ弁２３から排出される水素オフガスは水素処理器２４によって希釈して排気する。
なお、第２〜第４の各実施の形態における燃料電池システムにおいても、同様にパージ弁２３を設置可能である。
【００４６】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、燃料電池の燃料は純粋な水素ガスに限られるものではなく、例えば、炭化水素を含む液体燃料（ガソリンやメタノールなど）を改質して生成された水素を多く含む燃料ガスであってもよい。
なお、水素オフガス循環流路（循環流路）１０にエゼクタ１１や水素ポンプ２２を設けなくても、本発明は成立する。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、燃料を放出することなく燃料オフガスの湿度を所望に調整することができ、ひいいては、燃料電池に供給される燃料の湿度を所望に調整することができるので、発電性能の低下を防止することができるとともに、燃料電池に供給される燃料の総てを発電のために利用することができ、燃料電池システム全体としての燃費が向上するという優れた効果が奏される。
請求項２に記載した発明によれば、湿度調整装置に供給される前記別流体を簡単に用意することが可能になり、システムの構成が簡単になるという効果がある。
【００４８】
請求項３または請求項４に記載した発明によれば、湿度調整装置の除湿機能と加湿機能の切り替えが簡単にでき、システム構成が簡単になるという効果がある。
請求項５に記載した発明によれば、湿度センサで検出される湿度に基づいて除湿と加湿のいずれが必要かを判断し、その判断結果に応じて第１の切り替え手段を切り替えることができるので、水素オフガスの湿度を確実に目標値に制御することができるという効果がある。
請求項６に記載した発明によれば、セル電圧検出手段で検出されるセル電圧に基づいて除湿と加湿のいずれが必要かを判断し、その判断結果に応じて第１の切り替え手段を切り替えることができるので、水素オフガスの湿度を確実に目標値に制御することができるという効果がある。
【００４９】
請求項７に記載した発明によれば、湿度調整装置を除湿器として機能させているときに、第２の切り替え手段によって、湿度調整装置から排出される別流体を酸化剤に合流させる流路に流通するように切り替えると、燃料オフガスから除去した水分を酸化剤とともに燃料電池のカソードに供給することができるので、燃料電池のアノードの水分をカソードの加湿に利用することができ、カソードの加湿性能を向上させることができるという効果がある。
請求項８に記載した発明によれば、湿度調整装置において燃料オフガスの湿度は予め所定に調整された前記別流体の湿度と平衡するので、燃料オフガスの湿度を所定の湿度に自動調整することができ、その結果、燃料電池に供給される燃料の湿度を前記目標湿度に自動調整することができるという効果がある。
【００５０】
請求項９に記載した発明によれば、燃料電池の途中で燃料の湿度を下げることができるので、燃料電池内におけるフラッディングをより確実に防止することができる。
請求項１０に記載した発明によれば、必要に応じてパージ用バルブを開放して燃料オフガスを放出することができるので、アノードの水分過多以外の要因によって燃料電池の発電性能が低下したときに、燃料オフガスを放出して発電性能の回復を図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】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第１の実施の形態における概略構成図である。
【図２】前記第１の実施の形態においてアノードガス流路内の湿度変化を示す図である。
【図３】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第２の実施の形態における概略構成図である。
【図４】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第３の実施の形態における概略構成図である。
【図５】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第４の実施の形態における概略構成図である。
【図６】前記第４の実施の形態においてアノードガス流路内の湿度変化を示す図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
３　カソード加湿器（膜加湿器）
１０　水素ガス供給流路（燃料供給流路）
１３　水素ガス供給流路（補助燃料供給流路）
２０　水素オフガス循環流路（循環流路）
２１　湿度調整装置（水透過膜式湿度調整装置）
２３　パージ弁（パージ用バルブ）
４１　第１切替弁（切り替え手段、第１の切り替え手段）
４２　第２切替弁（第２の切り替え手段）
５５　湿調空気排出流路（流路）
５６　湿調空気排出流路（流路）
６１　湿度センサ
６４　セル電圧センサ（セル電圧検出手段）
【図１】
2004071349.tif 000003
【図２】
2004071349.tif 000004
【図３】
2004071349.tif 000005
【図４】
2004071349.tif 000006
【図５】
2004071349.tif 000007
【図６】
2004071349.tif 000008