(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極にそれぞれ反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出される排出ガスを前記反応ガス供給手段から供給される前記反応ガスに混合して前記燃料電池へ再循環させるエゼクタと、
前記燃料電池から排出されるいずれかの極からの前記排出ガスと前記エゼクタから流出される前記反応ガスとを水透過膜を介して接触させて、前記排出ガスに含まれる水蒸気により前記反応ガスを加湿する加湿手段とを備え、
前記加湿手段は、前記燃料電池と前記エゼクタとの間に配置され、
前記エゼクタは、前記燃料電池から排出されて前記加湿手段を流通させられた前記排出ガスを前記反応ガス供給手段から供給される前記反応ガスに混合して前記加湿手段へ供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記反応ガス供給手段は燃料ガス供給手段であり、
前記加湿手段での前記排出ガスは排出燃料ガス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。
【請求項３】
前記反応ガス供給手段は燃料ガス供給手段であり、
前記加湿手段での前記排出ガスは排出空気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。
【請求項４】
前記反応ガス供給手段は燃料ガス供給手段であり、
酸化剤加湿手段を備え、
前記加湿手段での前記排出ガスは前記酸化剤加湿手段から排出される排出空気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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子膜を電解質膜として用いた燃料電池システムに係り、特に、固体高分子膜を加湿する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型燃料電池は、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に対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において、燃料電池スタック、又は、単に、燃料電池と呼ぶ。）を備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、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するようになっている。
【０００３】
ここで、発電効率を高く維持するためには、固体高分子電解質膜を飽和含水状態に維持して、イオン導電性電解質膜としての機能を確保する必要がある。
このため、例えば米国特許５５４３２３８号公報に開示された燃料電池のように、燃料電池から排出される排出ガスを、新たに燃料電池へ供給される供給ガスに混合して、燃料電池へ再循環させるエゼクタと、このエゼクタと供給ガスの供給装置との間に配置されて、エゼクタへ供給される供給ガスを加湿する加湿装置とを備えた燃料電池が知られている。
この燃料電池では、エゼクタへ供給される供給ガスに予め水を添加して水蒸気濃度（水蒸気分圧）を高く設定しておき、この供給ガスに連行されるようにしてエゼクタの副流導入管から吸引される排出ガスと共に、高湿潤の供給ガスが燃料電池へ供給されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術の一例に係る燃料電池のように、燃料電池から排出される排出ガスを再循環させて利用する場合には、例えば内部に供給ガスのひとつである燃料ガスを流通させるための構造や、例えば内部で生成された水を外部に排出するために必要な排出ガスの流量や、燃料電池を構成する触媒及び固体高分子電解質膜の特性等に応じて、供給される燃料ガスの利用率に所定の閾値が設定されており、この燃料の利用率はストイキ（つまり燃料ガスの循環量）の逆数に等しくされている。
例えば、燃料電池に供給される燃料ガスの利用率を、所定の閾値を超えて高く設定すると、燃料電池における燃料ガスの供給口近傍と排出口近傍との間で燃料ガスの密度変化が大きくなり、燃料電池を構成する各セルの表面上において出力密度の分布が不均一となる。ここで、燃料ガスからの水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する際の損失によって発熱が生じるため、各セルにおいて発熱分布が不均一となり、例えば燃料電池の寿命等を予測することが困難となって、燃料電池の性能を維持することができなくなる虞がある。
【０００５】
このため、エゼクタにおいて燃料ガスに対する所定の循環量（ストイキ）を確保する必要が生じるが、この循環量（ストイキ）を、例えばエゼクタに導入される燃料ガスの流量Ｑ１と、エゼクタから流出される燃料ガスの流量Ｑａ（つまり導入される燃料ガスの流量Ｑ１＋排出ガスの流量Ｑ２）との比（Ｑａ／Ｑ１）として定義すると、排出ガスに含まれる水分量が多くなるほど、この水分量の分だけ燃料ガス自体の循環量が減少してしまい、所定の循環量を確保することができなくなるという問題が生じる。
また、エゼクタにおいて所定の循環量（ストイキ）を確保する場合には、例えば燃料ガスが導入されるエゼクタのノズル径を小さく設定して、燃料ガスの流量Ｑ１を小さくすることで燃料ガスを循環させる能力を高くすることができるが、この場合にはエゼクタの前後における圧力損失が増大する。
【０００６】
ここで、燃料ガスの圧力が低くなるほど、燃料ガス中に含有可能な水蒸気量が増大するため、例えば、高圧状態で相対湿度が１００％の燃料ガスであってもエゼクタを通過して低圧状態になると、相対湿度が８０％等に低下してしまう。
すなわち、エゼクタの上流に設けられた加湿装置等によって、エゼクタに導入される以前の燃料ガスの相対湿度が上限値である１００％に設定されても、この燃料ガスの加湿量が燃料電池スタックに対して要求される加湿量を満たしていない虞がある。この場合、例えば燃料電池のアノードとカソードとの間で必要とされる所定の極間圧力を確保するために、エゼクタにおける圧力損失を考慮して、エゼクタに導入される以前の燃料ガスの圧力を相対的に高く設定するほど、この燃料ガスに含有可能な水蒸気量が減少して、燃料電池スタックに対して要求される加湿量を確保することができなくなる虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池から排出される排出ガスを再循環させて利用する際に、所定の循環量及び燃料電池に要求される所定の加湿量を確保す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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極にそれぞれ反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１１）と、前記反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記燃料電池から排出される排出ガスを前記反応ガス供給手段から供給される前記反応ガスに混合して前記燃料電池へ再循環させるエゼクタ（例えば、後述する実施の形態におけるエゼクタ１５）と、前記燃料電池から排出されるいずれかの極からの前記排出ガスと前記エゼクタから流出される前記反応ガスとを水透過膜を介して接触させて、前記排出ガスに含まれる水蒸気により前記反応ガスを加湿する加湿手段（例えば、後述する実施の形態における燃料加湿部１６）とを備え、前記加湿手段は、前記燃料電池と前記エゼクタとの間に配置され、前記エゼクタは、前記燃料電池から排出されて前記加湿手段を流通させられた前記排出ガスを前記反応ガス供給手段から供給される前記反応ガスに混合して前記加湿手段へ供給することを特徴としている。
【０００８】
上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池から排出される排出ガスは、例えば中空糸膜等の水透過膜において、燃料ガスを加湿する加湿ガスとして利用されており、排出ガスに含まれる水分は例えば中空糸膜の膜穴を透過して燃料ガス中に水蒸気として拡散される。そして、中空糸膜等の水透過膜にて水分が消費された排出ガスがエゼクタにおいて燃料ガスに合流させられる。これにより、排出ガスに含まれる水分量が減少して、水素等の燃料ガス自体の循環量（ストイキ）を向上させることができる。しかも、エゼクタの下流側において相対的に低い圧力状態の燃料ガスに水分を添加して加湿するため、例えばエゼクタの上流における相対的に高い圧力状態の燃料ガスに水分を添加する場合に比べて、より多くの水分量を添加することができ、エゼクタを通過する燃料ガスの圧力損出に起因する相対湿度の減少を防いで、燃料電池に対して要求される加湿量を確実に確保することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記反応ガス供給手段は燃料ガス供給手段であり、前記加湿手段での前記排出ガスは排出燃料ガスである。
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記反応ガス供給手段は燃料ガス供給手段であり、前記加湿手段での前記排出ガスは排出空気である。
上記構成の燃料電池システムによれば、エゼクタの上流側に比べて相対的に反応ガスの圧力が低い下流側において反応ガスを排出空気により加湿するため、含有する水分量が相対的に多い排出空気を有効利用して、反応ガスを加湿することができる。
しかも、例えばエゼクタの上流側のように、相対的に圧力の高い反応ガスを排出空気によって加湿する場合に比べて、加湿ガスである排出空気中に反応ガスが透過してしまうことを抑制することができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記反応ガス供給手段は燃料ガス供給手段であり、酸化剤加湿手段を備え、前記加湿手段での前記排出ガスは前記酸化剤加湿手段から排出される排出空気である。
上記構成の燃料電池システムによれば、排出空気は酸化剤加湿手段を通過した後に、加湿手段にて反応ガスと接触させられるため、例えば加湿手段にて加湿ガスである排出空気中に反応ガスが透過した場合であっても、この排出空気は加湿ガスとして利用されず、外部に排出等されるため、燃料電池の空気極側に反応ガスが混入してしまうことを防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムついて添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０の構成図であり、図２（ａ）はエゼクタ１５の一例を示す側断面図であり、図２（ｂ）はエゼクタ１５の他の一例を示す側断面図である。
本実施の形態による燃料電池システム１０は、例えば電気自動車等の車両に搭載されており、燃料電池１１と、燃料供給部１２と、酸化剤供給部１３と、酸化剤加湿部１４と、エゼクタ１５と、燃料加湿部１６とを備えて構成されている。
【００１０】
燃料電池１１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に対し、複数のセルを積層して構成されており、燃料ガスとして例えば水素が供給される燃料極と、酸化剤ガスとして例えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えている。
そして、空気極には、酸化剤供給部１３から空気が供給される空気供給口１１ａと、空気極内の空気を外部に排出する空気排出口１１ｂが設けられている。
一方、燃料極には、燃料供給部１２から水素が供給される燃料供給口１１ｃと、燃料極内の水素を外部に排出するための燃料排出口１１ｄが設けられている。
【００１１】
酸化剤供給部１３は、例えばエアーコンプレッサーからなり、燃料電池１１の負荷やアクセルペダル（図示略）からの入力信号等に応じて制御されており、酸化剤加湿部１４を介して、燃料電池１１の空気極に空気を供給している。
酸化剤加湿部１４は、例えば中空糸膜等をなす水透過膜を備えて構成されており、燃料電池１１の空気排出口１１ｂから排出される排出ガスを、酸化剤供給部１３から供給される酸化剤ガスに対する加湿ガスとして利用している。すなわち、例えば中空糸膜等をなす水透過膜を介して酸化剤ガスと排出ガスとを接触させると、排出ガスに含まれる水分（特に、水蒸気）は中空糸膜の膜穴を透過した後に水蒸気として酸化剤ガスに供給される。
【００１２】
燃料供給部１２から供給された燃料ガスは、順次、エゼクタ１５、燃料加湿部１６を流通させられた後に燃料電池１１に供給されている。
図２（ａ）に示すように、エゼクタ１５は、例えば流体供給口２１と、副流導入管２２と、流体排出管２３と、ノズル２４と、副流室２５とを備えて構成されている。
エゼクタ本体１５ａの内部には、例えば軸線Ｏと同軸に略円柱状の空間からなる副流室２５が形成されており、この副流室２５には軸線Ｏと直交する方向に伸びる副流導入管２２が接続されており、副流導入管２２の一端は副流室２５の内周面上で開口して、他端はエゼクタ本体１５ａの外面上で開口している。
【００１３】
エゼクタ１５の軸線Ｏに沿った方向において、副流室２５の一方の内壁面上から略円筒状のノズル２４が軸線Ｏと同軸に突出しており、このノズル２４の先端部が副流室２５の他方の内壁面に近接するように配置されている。
ノズル２４の基端部には、エゼクタ本体１５ａの外面上で開口した流体供給口２１が設けられ、ノズル２４は基端部から先端部に向かい漸次縮径したテーパ状の内周面を有している。
そして、副流室２５の他方の内壁面上には、軸線Ｏ方向に沿ってエゼクタ本体１５ａを貫通する流体排出管２３の一端が開口しており、流体排出管２３の他端はエゼクタ本体１５ａの外面上で開口している。
【００１４】
図１及び図２（ａ）に示すように、エゼクタ１５の流体供給口２１には、燃料供給部１２から燃料ガスが供給されており、副流導入管２２には燃料電池１１の燃料排出口１１ｄから排出されて燃料加湿部１６を流通させられた排出ガスが導入されている。
ここで、流体供給口２１から供給された燃料ガスはノズル２４を通過する過程で加速され、ノズル２４の先端部から流体排出管２３に向かって副流室２５内に放出された高速の燃料流の近傍では、副流導入管２２から副流室２５内に導入された排出ガスが、高速の燃料流に引き込まれるようにして流体排出管２３内へ連行される。これに伴って、副流室２５内には負圧が発生して、この負圧を補うようにして副流導入管２２から排出ガスが吸引される。
【００１５】
なお、エゼクタ１５は、上述した図２（ａ）に示す構造に限定されず、例えば図２（ｂ）に示す構造であっても良い。以下に、図２（ｂ）を参照しながら、エゼクタ１５の他の一例について説明する。
このエゼクタ１５は、例えば燃料流供給口３６と、水導入管３７と、燃料流排出管３８と、ノズル３９とを備えて構成されている。
例えば軸線Ｏに沿って燃料流供給口３６に接続されたノズル３９は、基端部から先端部に向かい漸次縮径したテーパ状の内周面を有しており、ノズル３９の基端部は略円筒状の燃料流排出管３８の基端部と接続され、ノズル３９の先端部は軸線Ｏと同軸に燃料流排出管３８の内部に向かい突出するようにして設けられている。
さらに、燃料流排出管３８には、管壁を貫通して軸線Ｏと直交する方向に伸びる水導入管３７が接続されており、燃料流排出管３８の内部で開口する水導入管３７の一端３７ａはノズル３９の先端部開口端３９ａ近傍に配置され、水導入管３７の他端は燃料流排出管３８の外部に向かい突出して配置されている。
【００１６】
そして、エゼクタ１６の水導入管３７には、気液分離部１７にて回収された水が導入されている。
すなわち、水吸収エゼクタ１６の燃料流供給口３６から供給された燃料ガスはノズル３９を通過する過程で加速される。そして、ノズル３９の先端部から燃料流排出管３８内に放出された高速の燃料流の近傍では、水導入管３７から燃料流排出管３８内に導入された水が、高速の燃料流に引き込まれるようにして燃料流排出管３８の先端部へ向かい連行される。これに伴って、燃料流排出管３８内には負圧が発生して、この負圧を補うようにして水導入管３７から水が吸引される。
【００１７】
エゼクタ１５で混合された燃料ガス及び排出ガスは、流体排出管２３又は燃料流排出管３８から排出されて燃料加湿部１６へ供給されている。すなわち、燃料電池１１から排出された排出ガスはエゼクタ１５を介して循環させられている。
【００１８】
燃料加湿部１６は、例えば中空糸膜等をなす水透過膜を備えて構成されており、燃料電池１１から排出される排出ガスを、エゼクタ１５から流出させられた燃料ガスに対する加湿ガスとして利用している。すなわち、例えば中空糸膜等をなす水透過膜を介して燃料ガスと排出ガスとを接触させると、排出ガスに含まれる水分（特に、水蒸気）は中空糸膜の膜穴等を透過した後に水蒸気として燃料ガスに供給される。
そして、燃料加湿部１６で加湿された燃料ガスは、燃料電池１１に供給されて、固体高分子電解質膜のイオン導電性が確保されている。
【００１９】
本実施の形態による燃料電池システム１０は上記構成を備えており、次に、この燃料電池システム１０の動作について添付図面を参照しながら説明する。
図３はエゼクタ１５の副流導入管２２に導入される排出ガスに含まれる水分量と、燃料の循環量（ストイキ）との変化を示すグラフ図であり、図４はエゼクタ１５の前後における燃料ガスの圧力差と燃料の循環量（ストイキ）との変化を示すグラフ図であり、図５は一定温度かつ相対湿度１００％の燃料ガスに含まれる水蒸気量と圧力との関係を示すグラフ図であり、図６はエゼクタ１５に供給される燃料ガスの流量Ｑ１と、副流導入管２２から導入される排出ガスの流量Ｑ２と、エゼクタ１５から排出される燃料ガスの流量Ｑａとの関係を示す概念図である。
【００２０】
先ず、エゼクタ１５によって燃料電池１１から排出される排出ガスを再循環させて利用する場合には、例えば内部に燃料ガスを流通させるための構造や、内部で生成された水を外部に排出するために必要な排出ガスの流量や、燃料電池１１を構成する触媒及び固体高分子電解質膜の特性等に応じて、供給される燃料ガスの利用率に所定の閾値が設定されており、この燃料の利用率はストイキ（つまり燃料ガスの循環量）の逆数に等しくされている。
すなわち、図６に示すように、燃料ガスの循環量（ストイキＳ）は、エゼクタ１５に供給される燃料ガスの流量Ｑ１と、副流導入管２２から導入される排出ガスの流量Ｑ２と、エゼクタ１５から排出される燃料ガスの流量Ｑａとによって、Ｓ＝Ｑa／Ｑ１＝（Ｑ１＋Ｑ２）／Ｑ１として定義される。
【００２１】
ここで、排出ガスに水分が含まれていると、排出ガスの流量Ｑ２は、燃料のみの流量Ｑｆと、水分の流量Ｑｗとの和（Ｑ２＝Ｑｆ＋Ｑｗ）として定義される。
このため、燃料ガスの循環量（ストイキＳ）が所定の値となるように制御されている場合には、排出ガスに含まれる水分の量が増大するほど、燃料自体の循環量が低下する。
図３に示すように、エゼクタ１５の副流導入管２２に導入される排出ガスに対して、水分を除去した場合の方が、水分を含む場合に比べて、同一の出力を得る際における燃料の循環量（ストイキ）を高くすることができる。
【００２２】
本実施の形態による燃料電池システム１０において、燃料電池１１から出力された排出ガスは、先ず、燃料加湿部１６に供給されて燃料ガスに対する加湿ガスとして利用された後に、エゼクタ１５の副流導入管２２に導入される。すなわち、排出ガスに含まれる水分は燃料加湿部１６において消費されて、含有する水分量が減少した排出ガスがエゼクタ１５を介して燃料電池１１に再循環させられるため、燃料つまり水素自体の循環量を向上させることができる。
【００２３】
また、エゼクタ１５において所定のストイキを確保する場合には、例えば燃料ガスが導入されるエゼクタ１５のノズル径を小さく設定して、燃料ガスの流量Ｑ１を小さくすることで燃料ガスを循環させる能力を高くすることができるが、この場合には、図４に示すように、エゼクタ１５の前後（つまり上流側と下流側との間）における圧力損失が増大する。
【００２４】
ここで、図５に示すように、燃料ガスの圧力が低くなるほど、燃料ガス中に含有可能な水蒸気量が増大するため、例えば、高圧状態で相対湿度が１００％の燃料ガスであってもエゼクタ１５を通過して低圧状態になると、相対湿度が例えば８０％等に低下してしまう。
すなわち、エゼクタ１５の上流側に適宜の加湿装置等を備えて、エゼクタ１５に導入される以前の燃料ガスの相対湿度を上限値である１００％に設定しても、この燃料ガスの加湿量が燃料電池１１に対して要求される加湿量を満たしていない虞がある。
【００２５】
本実施の形態による燃料電池システム１０においては、エゼクタ１５において排出ガスと合流された燃料ガスが燃料加湿部１６に供給されて加湿され、燃料電池１１に供給される。すなわち、エゼクタ１５の上流側に比べて相対的に圧力が低い下流側の燃料ガスに対して加湿を行う。
このため、例えば燃料電池１１のアノードとカソードとの間で必要とされる所定の極間圧力を確保するために、エゼクタ１５における圧力損失を考慮して、エゼクタ１５に導入される以前の燃料ガスの圧力を相対的に高く設定するような場合であっても、この燃料ガスに含有可能な水蒸気量が減少してしまうことを抑制して、燃料電池１１に対して要求される所定の加湿量を確保することができる。
【００２６】
上述したように、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、エゼクタ１５と燃料電池１１との間に、排出ガスを燃料ガスに対する加湿ガスとして利用する燃料加湿部１６を配置したことにより、燃料自体つまり水素の循環量（ストイキ）を向上させることができる。
しかも、エゼクタ１５の上流側に比べて相対的に燃料ガスの圧力が低い下流側において燃料ガスを加湿するため、より多くの水分量を添加することができ、エゼクタ１５を通過する燃料ガスの圧力損出に起因する相対湿度の減少を防いで、燃料電池１１に対して要求される所定の加湿量を確実に確保することができる。
【００２７】
なお、上述した本実施の形態においては、燃料電池１１の燃料極側において、エゼクタ１５と燃料電池１１との間に燃料加湿部１６を配置したが、これに限定されず、燃料電池１１の空気極側において、排出ガスを再循環させるエゼクタと燃料電池１１との間に酸化剤ガス用の加湿部を配置しても良い。
【００２８】
なお、本実施の形態において、燃料加湿部１６は、燃料電池１１の燃料排出口１１ｄから排出される排出ガス（排出燃料ガス）を、エゼクタ１５から流出させられた燃料ガスに対する加湿ガスとして利用するとしたが、これに限定されず、例えば図７に示す本実施形態の第１変形例に係る燃料電池システム５０の構成図のように、燃料電池１１の空気排出口１１ｂから排出される排出ガス（排出空気）を、エゼクタ１５から流出させられた燃料ガスに対する加湿ガスとして利用してもよい。
この第１変形例に係る燃料電池システム５０においては、燃料電池１１から排出される排出空気の流通方向に対して、燃料加湿部１６は酸化剤加湿部１４よりも上流側に配置されている。
【００２９】
すなわち、燃料電池１１の空気排出口１１ｂから排出される排出空気は、先ず、燃料加湿部１６にて、例えば中空糸膜等をなす水透過膜を介して燃料ガスと接触させられ、排出空気に含まれる水分（特に、水蒸気）は中空糸膜の膜穴等を透過した後に水蒸気として燃料ガスに供給される。
次に、燃料加湿部１６を通過した排出空気は、酸化剤加湿部１４にて、水透過膜を介して酸化剤ガスと接触させられ、排出空気に含まれる水分（特に、水蒸気）は中空糸膜の膜穴を透過した後に水蒸気として酸化剤ガスに供給される。
【００３０】
この場合には、エゼクタ１５の上流側に比べて相対的に燃料ガスの圧力が低い下流側において燃料ガスを排出空気により加湿するため、排出燃料ガスに比べて含有する水分量が相対的に多い排出空気を有効利用して、燃料ガスを加湿することができる。
しかも、例えばエゼクタ１５の上流側のように、相対的に水素の圧力の高い燃料ガスを排出空気によって加湿する場合に比べて、本構成によれば、加湿ガスである排出空気中に燃料ガスである水素が透過してしまうことを抑制することができる。これによれば、例えば下流に設けられた酸化剤加湿部１４が水素透過性を有している場合でも、あるいは、燃料電池１１の空気極側において排出空気を再循環させるエゼクタを備える場合であっても、燃料電池１１の空気極側に燃料ガスとしての水素が多量に混入してしまうことを防止することができる。
【００３１】
さらに、上述した本実施形態の第１変形例においては、燃料電池１１から排出される排出空気の流通方向に対して、燃料加湿部１６は酸化剤加湿部１４よりも上流側に配置されているとしたが、これに限定されず、例えば図８に示す本実施形態の第２変形例に係る燃料電池システム６０の構成図にように、燃料電池１１から排出される排出空気の流通方向に対して、燃料加湿部１６は酸化剤加湿部１４よりも下流側に配置されてもよい。
この場合、燃料電池１１の空気排出口１１ｂから排出される排出空気は、先ず、酸化剤加湿部１４にて、水透過膜を介して酸化剤ガスと接触させられ、排出空気に含まれる水分（特に、水蒸気）は中空糸膜の膜穴を透過した後に水蒸気として酸化剤ガスに供給される。
そして、酸化剤加湿部１４を通過した排出空気は、燃料加湿部１６にて、例えば中空糸膜等をなす水透過膜を介して燃料ガスと接触させられ、排出空気に含まれる水分（特に、水蒸気）は中空糸膜の膜穴等を透過した後に水蒸気として燃料ガスに供給される。
【００３２】
この場合、排出空気は酸化剤加湿部１４を通過した後に、燃料加湿部１６にて水透過膜を介して燃料ガスと接触させられるため、例えば燃料加湿部１６にて加湿ガスである排出空気中に燃料ガスである水素が透過した場合であっても、この水素が混入した排出空気は加湿ガスとして利用されず、外部に排出等されるため、燃料電池１１の空気極側に燃料ガスとしての水素が混入してしまうことを防止することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池システムによれば、排出ガスを燃料電池に再循環させて利用する際に、反応ガス自体の循環量（ストイキ）を向上させることができると共に、エゼクタを通過する反応ガスの圧力損出に起因する相対湿度の減少を防いで、燃料電池に対して要求される加湿量を確実に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】  図２（ａ）はエゼクタの一例を示す側断面図であり、図２（ｂ）はエゼクタの他の一例を示す側断面図である。
【図３】  エゼクタの副流導入管に導入される排出ガスに含まれる水分量と、燃料の循環量（ストイキ）との変化を示すグラフ図である。
【図４】  エゼクタの前後における燃料ガスの圧力差と燃料の循環量（ストイキ）との変化を示すグラフ図である。
【図５】  一定温度かつ相対湿度１００％の燃料ガスに含まれる水蒸気量と圧力との関係を示すグラフ図である。
【図６】  エゼクタに供給される燃料ガスの流量Ｑ１と、副流導入管から導入される排出ガスの流量Ｑ２と、エゼクタから排出される燃料ガスの流量Ｑａとの関係を示す概念図である。
【図７】  本実施形態の第１変形例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図８】  本実施形態の第２変形例に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１０，５０，６０  燃料電池システム
１１  燃料電池
１５  エゼクタ
１６  燃料加湿部（加湿手段）
【図１】
0005132857.tif 000002
【図２】
0005132857.tif 000003
【図３】
0005132857.tif 000004
【図４】
0005132857.tif 000005
【図５】
0005132857.tif 000006
【図６】
0005132857.tif 000007
【図７】
0005132857.tif 000008
【図８】
0005132857.tif 000009