(57)【要約】【課題】  適切な加湿の制御を実行する燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】  水素極と酸素極とを有する燃料電池と、該酸素極に反応ガスを供給する供給流路と、該燃料電池の酸素極からの排ガスを該供給流路に循環する循環流路とを備えた燃料電池システムであって、前記供給流路内の前記反応ガスの流れを駆動源として、前記循環流路から前記排ガスを吸い込んで該供給流路に供給するエジェクタと、前記エジェクタの出口側と吸い込み側との間を流れるガスの圧力を調整する圧力調整手段と、前記圧力調整手段を用いて前記燃料電池への前記排ガスの循環量を調整して、該燃料電池内の加湿量を制御する加湿量制御手段とを備えた燃料電池システムとする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極と酸素極とを有する燃料電池と、該酸素極に反応ガスを供給する供給流路と、該燃料電池の酸素極からの排ガスを該供給流路に循環する循環流路とを備えた燃料電池システムであって、
前記供給流路内の前記反応ガスの流れを駆動源として、前記循環流路から前記排ガスを吸い込んで該供給流路に供給するエジェクタと、
前記エジェクタの出口側と吸い込み側との間を流れるガスの圧力を調整する圧力調整手段と、
前記圧力調整手段を用いて前記燃料電池への前記排ガスの循環量を調整して、該燃料電池内の加湿量を制御する加湿量制御手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記循環流路は、前記燃料電池の酸素極からの排ガスを外部へ排出する排出流路から分岐する分岐点を備え、
前記圧力調整手段は、前記分岐点より前記排出流路上の下流側に設けられ、前記燃料電池の酸素極出口の排ガスの圧力を調整する調圧弁であり、前記循環流路内の排ガスの圧力と共に、該燃料電池を介して前記エジェクタの出口側の圧力を調整する
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の運転中における加湿量を推定する加湿量推定手段を備え、
前記加湿量制御手段は、前記推定した加湿量によって前記燃料電池の加湿状態を判断し、該判断結果に基づいて、該加湿量が所定加湿量となるように前記調圧弁を制御する
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記加湿量制御手段は、前記燃料電池における加湿量が所定の基準値より少ないと判断した場合には、前記エジェクタの出口側の圧力を低下する処理を行なう燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記加湿量制御手段は、前記燃料電池における加湿量が所定の基準値より多いと判断した場合には、前記エジェクタの出口側の圧力を上昇する処理を行なう燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記加湿量制御手段は、前記燃料電池の酸素極出口の排ガスの圧力が所定の標準圧力の範囲に保たれるという制限のもとで、前記調圧弁を用いた加湿の制御を行なう燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素極と酸素極とを有する燃料電池と、酸素極に反応ガスを供給する供給流路と、燃料電池の酸素極からの排ガスを循環する循環流路とを備えた燃料電池システムに関し、詳しくは排ガスに含まれる水分を利用した加湿の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応ガスとしての空気と水素ガスとを燃料電池に供給し、空気に含まれる酸素と、水素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池システムでは、所定の発電効率を確保するため、燃料電池に供給される空気を加湿する必要がある。従来から、燃料電池システムでは、電気化学反応により酸素極側で生成された水分を含む排ガスを利用した加湿装置を備え、燃料電池に供給する空気の加湿を行なう技術が知られている。こうした加湿装置としては、中空糸膜を用いた加湿モジュールと呼ばれる装置が一般的に使用されているが、低温から高温まで、広い温度範囲で運転される燃料電池システムでは、中空糸膜の耐久性に問題があった。
【０００３】
こうした耐久性の問題に対応できる加湿装置として、加湿モジュールに代えてエジェクタを備えた燃料電池システムも開示されている。例えば、下記特許文献１によれば、エジェクタを用いて排ガスの一部を燃料電池に循環することで、燃料電池の加湿を行なうことができるとされている。
【０００４】
【特許文献１】特表平８−５００９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、エジェクタを用いて加湿を行なう燃料電池システムにおける燃料電池の加湿の制御を具体的にどう行なえば良いかは知られておらず、燃料電池に循環する排ガスの循環量をいかに調整するかが問題であった。その結果、エジェクタを用いた燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給する空気の適切な加湿が困難なものとなっていた。
【０００６】
本発明は、こうした問題を踏まえて、適切な加湿の制御を実行す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】
本発明の燃料電池システムは、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、水素極と酸素極とを有する燃料電池と、該酸素極に反応ガスを供給する供給流路と、該燃料電池の酸素極からの排ガスを該供給流路に循環する循環流路とを備えた燃料電池システムであって、前記供給流路内の前記反応ガスの流れを駆動源として、前記循環流路から前記排ガスを吸い込んで該供給流路に供給するエジェクタと、前記エジェクタの出口側と吸い込み側との間を流れるガスの圧力を調整する圧力調整手段と、前記圧力調整手段を用いて前記燃料電池への前記排ガスの循環量を調整して、該燃料電池内の加湿量を制御する加湿量制御手段とを備えたことを要旨としている。
【０００８】
本発明の燃料電池システムによれば、エジェクタの出口側と吸い込み側との間を流れるガスの圧力、つまり、エジェクタの出口側のガスの圧力を調整することで、エジェクタの吸い込み量である排ガスの循環量を制御する。したがって、圧力の制御のみの比較的簡単な処理により、燃料電池内の加湿（排ガスの循環量）の制御を行なうことができる。さらに、本発明によれば、エジェクタの出口側の圧力を調整するのであって、駆動源としての反応ガスが供給されるエジェクタの入口側の圧力を調整する必要がない。換言すると、エジェクタを介して燃料電池に反応ガスを供給する供給源を、加湿の制御のために調整する必要がない。したがって、複雑な制御を行なうことなく、適切な加湿の制御を実行する燃料電池システムを構築することができる。
【０００９】
上記の構成を有する燃料電池システムの循環流路は、前記燃料電池の酸素極からの排ガスを外部へ排出する排出流路から分岐する分岐点を備え、前記圧力調整手段は、前記分岐点より前記排出流路上の下流側に設けられ、前記燃料電池の酸素極出口の排ガスの圧力を調整する調圧弁であり、前記循環流路内の排ガスの圧力と共に、該燃料電池を介して前記エジェクタの出口側の圧力を調整するものとしても良い。
【００１０】
かかる燃料電池システムによれば、加湿の制御を行なう圧力調整手段として、酸素極出口の排ガスの圧力を調整する調圧弁を用い、燃料電池を介してエジェクタの出口側の圧力を調整する。すなわち、調圧弁を加湿の制御にも併用する。したがって、加湿の制御用に別途バルブ等を備える必要がなく、部品点数の増加を抑えて加湿の制御を行なうシステムを構築することができる。
【００１１】
上記の構成の燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池の運転中における加湿量を推定する加湿量推定手段を備え、前記加湿量制御手段は、前記推定した加湿量によって前記燃料電池の加湿状態を判断し、該判断結果に基づいて、該加湿量が所定加湿量となるように前記調圧弁を制御するものとしても良い。
【００１２】
かかる燃料電池システムによれば、燃料電池の運転中の加湿量を推定し、これに基づいて調圧弁を制御する。したがって、燃料電池の運転状況に応じた加湿量の調整を行なうことができ、適切な加湿の制御を行なうことができる。
【００１３】
上記の構成を有する燃料電池システムの加湿量制御手段は、前記燃料電池における加湿量が所定の基準値より少ないと判断した場合には、前記エジェクタの出口側の圧力を低下する処理を行なうものとしても良い。
【００１４】
かかる燃料電池システムによれば、加湿量が少ないと判断した場合には、エジェクタの出口側の圧力を低下させる。つまり、エジェクタの入口側と出口側との圧力差を増大して、エジェクタの吸い込み量を増やし、燃料電池の加湿量を増加する。こうした圧力制御を行なうことで、例えば、燃料電池内が乾燥状態であるドライアップを抑制し、適切な加湿の制御を行なうことができる。
【００１５】
上記の構成を有する燃料電池システムの加湿量制御手段は、前記燃料電池における加湿量が所定の基準値より多いと判断した場合には、前記エジェクタの出口側の圧力を上昇する処理を行なうものとしても良い。
【００１６】
かかる燃料電池システムによれば、加湿量が多いと判断した場合には、エジェクタの出口側の圧力を上昇させる。つまり、エジェクタの入口側と出口側との圧力差を減少して、エジェクタの吸い込み量を減らし、燃料電池の加湿量を減少する。こうした圧力制御を行なうことで、例えば、燃料電池内が加湿過多の状態であるフラッディングを抑制し、適切な加湿の制御を行なうことができる。
【００１７】
上記の構成を有する燃料電池システムの加湿量制御手段は、前記燃料電池の酸素極出口の排ガスの圧力が所定の標準圧力の範囲に保たれるという制限のもとで、前記調圧弁を用いた加湿の制御を行なうものとしても良い。
【００１８】
かかる燃料電池システムによれば、燃料電池の酸素極出口の排ガスの圧力が所定の標準圧力の範囲に保たれるという制限のもとで、加湿の制御を実行する。したがって、運転中における燃料電池内の圧力を標準範囲に保持する処理を優先した加湿の制御を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
Ｂ．加湿調整処理：
Ｃ．変形例：
【００２０】
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システム１０は、反応ガスとしての水素ガスと空気との供給を受け、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池２０を備え、燃料電池２０の発電した電力を動力とする図示しない車両に搭載されている。この燃料電池システム１０は、図示するように、燃料電池２０の他、燃料電池２０に水素ガスを供給する水素タンク３１，３２，燃料電池２０に空気を供給するエアコンプレッサ４０，燃料電池システム１０の全体を制御する制御ユニット１００などから構成されている。
【００２１】
燃料電池２０は、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを備えた単セル２１を、複数枚積層したスタック状に構成されている。単セル２１は、セパレータ、アノード、電解質膜、カソード、セパレータを順に重ね合わせて構成され、セパレータには水素ガス，空気の流路がそれぞれ設けられている。こうした流路は、積層して隣接する単セル２１間で連通しており、外部から燃料電池２０へ供給する水素ガス，空気は、各単セル２１のアノード，カソードのそれぞれに滞りなく行き渡る。なお、セパレータには、水素ガス，空気の他、冷媒の流路も設けられており、外部から供給された冷媒は燃料電池２０内を循環している。
【００２２】
各単セル２１内のアノードに供給された水素ガスは、アノードを構成する触媒層の触媒作用を受けて水素イオンを発生する。この水素イオンは、電解質膜をカソード側へ透過し、カソードに供給された空気中の酸素と反応する。この電気化学反応により、単セル２１は発電する。燃料電池２０は、こうした単セル２１を複数直列に接続することで、高い電力を出力している。なお、本実施例では、電解質膜に固体高分子膜を使用している。こうした電解質膜は、所定範囲の湿潤状態で良好に作用する。
【００２３】
こうした燃料電池２０に供給される水素ガスおよび空気のうち、まず水素ガスの流れについて説明する。燃料電池２０に供給される水素ガスは、高圧の状態で水素タンク３１，３２に貯蔵されている。水素タンク３１，３２と燃料電池２０とは、水素供給配管３７により接続されており、水素タンク３１，３２からの水素ガスは、図示しないバルブにより圧力、流量を調整した状態で燃料電池２０に供給されている。この水素タンク３１，３２のガスの出口にはシャットバルブ３４，３５が備えられ、シャットバルブ３４，３５は制御ユニット１００からの指令を受けて開弁する。こうして水素供給配管３７上に、水素ガスが供給される。なお、燃料電池２０への水素ガスの供給は、水素タンク３１，３２からの供給に代えて、例えば、メタン、メタノール等を改質して水素を生成し、これを供給するものとしても良い。
【００２４】
水素タンク３１，３２から水素供給配管３７上を流れる水素ガスは、水素供給配管３７上に備えた水素循環用エジェクタ３０を通過して、燃料電池２０に供給される。燃料電池２０は、水素ガスを排出する水素排気配管６１の一端と接続されており、電気化学反応に供された後の水素ガスは排ガス（アノードオフガス）として排出される。この水素排気配管６１の他端は、水素循環用エジェクタ３０と接続している。
【００２５】
水素循環用エジェクタ３０は、水素タンク３１，３２から水素供給配管３７上に供給された水素ガスの流れを駆動流として、燃料電池２０から排出された排ガスを水素排気配管６１内から吸い込み、排ガスを再度燃料電池２０に循環する装置である。燃料電池２０に供給された水素ガスは電気化学反応により消費されるが、その一部が消費されずに燃料電池２０から排出される場合がある。水素循環用エジェクタ３０により排ガスを再度、燃料電池２０へ供給することで、電気化学反応に使用されずに排出された水素を有効に利用している。
【００２６】
こうして燃料電池２０に循環する排ガスは、電気化学反応により生成された生成水の影響などを受け、過剰な水分を含んでいることがある。水素排気配管６１上には、気液分離器６４が備えられており、排ガス中の過剰な水分を除去し、適切な状態の排ガスを水素循環用エジェクタ３０の吸い込み側に供給している。また、気液分離器６４にはパージバルブ６５が設けられ、パージバルブ６５は後述する希釈器８１と排出配管６７で接続されている。循環する排ガスには、上記の水分に加え、カソードから漏れ出した窒素などの不純物が含まれている場合がある。制御ユニット１００は、パージバルブ６５を所定のタイミングで開弁し、こうした不純物を排ガス（水素ガス）と共に、希釈器８１へ排出している。
【００２７】
なお、水素供給配管３７，水素排気配管６１上には、それぞれ、シャットバルブ３８，６３、チェックバルブ３９，６６などが配置されている。シャットバルブ３８，６３は、制御ユニット１００の指令を受け、燃料電池システム１０の運転時に開弁され、停止時に閉弁される。また、チェックバルブ３９，６６は、各配管内を流れる水素ガスの逆流を防止する。こうした機器を備えることで、水素ガスを燃料電池２０へ安全に供給している。
【００２８】
次に、燃料電池２０に供給される空気の流れについて説明する。本実施例の燃料電池システム１０は、上述のようにエアコンプレッサ４０を備えており、エアコンプレッサ４０と燃料電池２０とは、空気供給配管４７により接続されている。エアコンプレッサ４０は、駆動源としてのモータ，モータの回転数を検出するセンサ等を備え、制御ユニット１００の指令を受けてモータの回転数を制御することで、外部から吸い込んで加圧した空気を燃料電池２０に供給する。
【００２９】
空気供給配管４７上には、空気の流れの上流から順に、エアフィルタ４６，空気循環用エジェクタ４５などが設けられている。エアコンプレッサ４０の駆動により取り込まれた空気は、エアフィルタ４６により浄化され、空気循環用エジェクタ４５を通過して、燃料電池２０に供給される。燃料電池２０は、空気を排出する空気排気配管５１の一端と接続されており、電気化学反応に供された後の空気は排ガス（カソードオフガス）として排出される。この空気排気配管５１の他端は希釈器８１と接続しており、燃料電池２０から排出された排ガスは、希釈器８１内で上述の不純物および水素ガスを十分に希釈し、マフラ８２を介して外部へ排出している。
【００３０】
空気排気配管５１と空気循環用エジェクタ４５とは、循環配管７０で接続されている。空気循環用エジェクタ４５は、エアコンプレッサ４０により空気供給配管４７上に供給された空気の流れを駆動流として、燃料電池２０から排出された排ガスを、空気排気配管５１を介して循環配管７０内から吸い込み、排ガスを再度燃料電池２０に循環する装置である。燃料電池２０内では、上述のように生成水が発生し、排ガスには水分が含まれている。こうした排ガスを、空気循環用エジェクタ４５を用いて循環することで、燃料電池２０に供給する空気を適度に加湿している。
【００３１】
この空気排気配管５１と循環配管７０との合流箇所（分岐点と呼ぶ）よりも下流の空気排気配管５１上には、調圧バルブ５５が備えられている。調圧バルブ５５は、ポペットタイプの弁体，弁体の駆動用モータ，駆動用モータの回転角を検出する回転角センサ等を有し、制御ユニット１００から指令に応じて駆動用モータの回転角を制御し、弁体の進退動作により弁の開度を調整する。こうした調圧バルブ５５の開度の調整により、調圧バルブ５５よりも上流の流路内の圧力は所定範囲内に設定される。すなわち、調圧バルブ５５よりも上流である循環配管７０内の圧力、燃料電池２０の空気の出口圧力等が、所定範囲内に調整される。以下、調圧バルブ５５による燃料電池２０の出口圧力の所定範囲への調整を圧力調整処理と呼ぶ。
【００３２】
こうした圧力調整処理を実行することで、燃料電池２０内の電解質膜等に過大な負荷をかけることなく、適切な状態で空気を供給することができる。なお、調圧バルブ５５は、ポペットタイプに代えてバタフライタイプなどであっても良い。つまり、指令に応じて開弁量を可変にできるバルブであれば良い。
【００３３】
以上の構成により水素ガス、空気の供給を受けた燃料電池２０は、電気化学反応により発電する。この燃料電池システム１０は、出力系統として、車両の走行用のモータ９２、二次電池９１等を備えており、発電された電力は、図示しないインバータを介してモータ９２の駆動に使用され、例えば、定常走行時や減速時などに発生する余剰分は、モータ９２を発電機として用いて回生され、二次電池９１に蓄電される。また、電気化学反応は発熱反応であり、運転に伴って燃料電池２０の温度は上昇する。本実施例の燃料電池システム１０は、冷却装置８５を備え、冷媒を燃料電池２０内に循環させることで、燃料電池２０を冷却している。
【００３４】
制御ユニット１００は、ＣＰＵ１０１やＲＯＭ１０２，ＲＡＭ１０３，図示しないタイマや入出力ポート等を備えている。ＲＯＭ１０２には、上述の圧力調整処理のプログラムや、燃料電池システム１０全体を制御する種々のプログラムが記憶されている。ＣＰＵ１０１は、これらのプログラムをＲＡＭ１０３上に展開して処理を実行している。入出力ポートには、各種センサおよび各種アクチュエータが接続されている。制御ユニット１００は、各種センサからの信号を受け、車両の運転状態を判断し、各種アクチュエータを制御している。
【００３５】
具体的には、空気排気配管５１上に設けられたサーミスタタイプの温度センサ５６，半導体式の圧力センサ５７や、出力系統に設けられた電圧計９５，電流計９６、さらには図示しないアクセルポジションセンサ，車速センサ等の各種センサから、それぞれ温度Ｔ，圧力Ｐ，出力電圧Ｖ，出力電流Ｉ，アクセル開度θ、車速Ｓ等を入力し、要求される出力（電力）に対応して、エアコンプレッサ４０，調圧バルブ５５等を制御して燃料電池システム１０を運転している。
【００３６】
本実施例では、制御ユニット１００のＲＯＭ１０２内に、燃料電池２０に供給する空気の加湿量を調整する加湿調整処理のプログラムが記憶されている。この加湿調整処理は、圧力調整処理を実行する調圧バルブ５５を利用して、空気循環用エジェクタ４５の出口側（燃料電池２０側）の圧力を変化させ、排ガスの循環量を調整する処理である。
【００３７】
空気循環用エジェクタ４５は、図２に概略構成を示すように、ニードル４５ａ，ノズル４５ｂ，ディフューザ４５ｃなどから構成され、ノズル４５ｂ近傍で高速の空気が流れることで静圧が低下し、ノズル４５ｂ近傍の圧力が循環配管７０内の圧力よりも下がると、吸い込み側（図示する循環配管側）から排ガスを吸い込む。この吸い込み量は、主に、空気循環用エジェクタ４５のノズル４５ｂ近傍での圧力により変化する。加湿調整処理では、空気循環用エジェクタ４５の出口側の圧力を変化させることでノズル４５ｂ近傍の圧力を調整して、吸い込み量を制御する。以下に、この加湿調整処理について説明する。
【００３８】
Ｂ．加湿調整処理：
図３は、本実施例の燃料電池システム１０における一実施例としての加湿調整処理を示すフローチャートである。この処理は、エアコンプレッサ４０，水素タンク３１，３２からの反応ガスが燃料電池２０に供給され、発電を開始した後、つまり、運転中の所定タイミングで、制御ユニット１００にて実行される処理である。したがって、エアコンプレッサ４０は要求負荷に応じた所定量の空気を燃料電池２０に供給し、調圧バルブ５５は圧力調整処理により所定開度に設定されているものとする。
【００３９】
処理を開始すると、制御ユニット１００は、各センサの検出値を入力する（ステップＳ３００）。具体的には、温度センサ５６，圧力センサ５７，電圧計９５，電流計９６などから、それぞれ温度Ｔ，圧力Ｐ，電圧Ｖ，電流Ｉ、さらにはエアコンプレッサ４０の回転数や、調圧バルブ５５の開度などを入力している。
【００４０】
制御ユニット１００は、入力した検出値等を利用して燃料電池２０の加湿量Ｗを算出する（ステップＳ３１０）。この加湿量Ｗの算出には、入力した各検出値（特に燃料電池２０の出力値）を利用する。例えば、エアコンプレッサ４０の回転数などから燃料電池２０への空気の流入量を、電圧Ｖ，電流Ｉなどから反応による生成水量や酸素消費量を、燃料電池２０の出口温度Ｔ，圧力Ｐ，調圧バルブ５５の開度などから空気の排出量を、それぞれ算出し、これらを加減して燃料電池２０内の加湿量（保有水分量）を算出する。
【００４１】
続いて、制御ユニット１００は、算出した加湿量Ｗが下限の閾値α１よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ３２５）。燃料電池２０の電解質膜には、上述のように良好に作用する加湿量の範囲が存在する。この範囲よりも加湿量Ｗが低く、電解質膜が過剰に乾燥状態となると、急激に出力電圧が落ち込む現象が生じることがある（これをドライアップと呼ぶ）。制御ユニット１００は、燃料電池２０の運転状態を示す算出した加湿量Ｗと閾値α１とを比較することで、ドライアップ状態となる兆候の有無を判断している。なお、この閾値α１は電解質膜の性能など、燃料電池システム１０の性能全体を総合的に判断して予め設定されている。
【００４２】
ステップＳ３２５で、加湿量Ｗが閾値α１以下である（Ｎｏ）と判断した場合には、調圧バルブ５５の開度を増加する処理を行ない（ステップＳ３４０）、ＮＥＸＴに抜ける。すなわち、制御ユニット１００は、燃料電池２０がドライアップ状態気味であると判断した場合には、現状の調圧バルブ５５の開度を所定量増加する指令を調圧バルブ５５に出力する。
【００４３】
指令を受けた調圧バルブ５５が弁を所定量開くと、調圧バルブ５５よりも上流側（空気排気配管５１，燃料電池２０，空気循環用エジェクタ４５の出口側に相当する空気供給配管４７）の圧力と共に、循環配管７０内の圧力は低下し、空気循環用エジェクタ４５の入口側（エアコンプレッサ４０側）と出口側（燃料電池２０側）との圧力差が増加する。その結果、空気循環用エジェクタ４５内のノズル４５ｂ近傍の圧力は低下して空気循環用エジェクタ４５の循環性能が向上し、循環配管７０からの排ガスの吸い込み量は増加する。こうして水分を含んだ排ガスの循環量が増加することで、燃料電池２０内の加湿量Ｗを上昇し、ドライアップ状態を回避することができる。
【００４４】
他方、ステップＳ３２５で、加湿量Ｗが閾値α１よりも大きい（Ｙｅｓ）と判断した場合には、加湿量Ｗが上限の閾値α２よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ３５５）。燃料電池２０の電解質膜は、上述のように過剰に乾燥すると良好に作用しないが、過剰な加湿により水滴などが溜まっても、出力電圧が落ち込む現象が生じることがある（これをフラッディングと呼ぶ）。制御ユニット１００は、燃料電池２０の運転状態を示す算出した加湿量Ｗと閾値α２とを比較することで、フラッディング状態となる兆候の有無を判断している。なお、この閾値α２も、閾値α１と同様、電解質膜の性能など、燃料電池システム１０の性能全体を総合的に判断して予め設定されている。
【００４５】
ステップＳ３５５で、加湿量Ｗが閾値α２以上である（Ｎｏ）と判断した場合には、調圧バルブ５５の開度を減少する処理を行ない（ステップＳ３６０）、ＮＥＸＴに抜ける。すなわち、制御ユニット１００は、燃料電池２０がフラッディング状態気味であると判断した場合には、現状の調圧バルブ５５の開度を所定量減少する指令を調圧バルブ５５に出力する。
【００４６】
指令を受けた調圧バルブ５５が弁を所定量閉じると、調圧バルブ５５よりも上流側の圧力と共に、循環配管７０の圧力は上昇し、空気循環用エジェクタ４５の入口側と出口側との圧力差が減少する。その結果、空気循環用エジェクタ４５内のノズル４５ｂ近傍の圧力は増加して空気循環用エジェクタ４５の循環性能は低下し、循環配管７０からの排ガスの吸い込み量は減少する。こうして水分を含んだ排ガスの循環量が減少することで、燃料電池２０内の加湿量Ｗは低下し、フラッディング状態を回避することができる。
【００４７】
他方、ステップＳ３５５で、加湿量Ｗが閾値α２よりも小さい（Ｙｅｓ）と判断した場合には、調圧バルブ５５の開度の増減を行なうことなく、そのままＮＥＸＴに抜ける。つまり、この場合には、現状の加湿量Ｗは閾値の範囲内に収まっており、良好な運転状態であると判断している。
【００４８】
こうしてＮＥＸＴに抜けて、加湿調整処理を終了した後、所定タイミングで一連の処理を繰り返す。なお、調圧バルブ５５の開度の増減を行なう際の所定量は、例えば、±１０[ｋＰａ]程度の範囲内であり、燃料電池２０の圧力調整処理において調整する所定範囲内に収まる圧力範囲である。よって、こうした加湿調整処理によって圧力変動が生じても、電解質膜や燃料電池システム１０の運転に影響を及ぼすことはほとんどない。
【００４９】
以上、本実施例の加湿調整処理によれば、空気循環用エジェクタ４５の出口側の圧力を調圧バルブ５５によって間接的に調整することで、水分を含んだ排ガスの循環量を変えることができる。換言すると、圧力調整により、燃料電池内の加湿量の調整を行なうことができる。したがって、圧力の制御のみの比較的簡単な処理により、燃料電池２０内の加湿の制御を行なうことができる。
【００５０】
また、加湿の制御に使用するバルブとして、燃料電池２０の出口圧力を調整するための調圧バルブ５５を用いる。すなわち、本来、燃料電池２０の空気の出口圧力を調整する目的の調圧バルブ５５を、加湿調整処理にも併用している。したがって、加湿の制御用に別途バルブを備える必要がなく、部品点数の増加を抑えて加湿の制御を行なうシステムを構築することができる。
【００５１】
さらに、排ガスを循環させる加湿調整処理には、循環ポンプなど、動力源を必要とする循環装置ではなく、エジェクタを用いている。したがって、加湿調整の処理の際に動力源を駆動するためにエネルギを消費することがなく、効率的なシステムを構築することができる。また、循環ポンプのような回転部を備えた装置を用いる場合には、水分を含んだ排ガスが流れることによる不具合も発生し易いが、エジェクタであればこうした問題を抑制することができる。したがって、安全性、耐久性に優れたシステムを構築することができる。
【００５２】
本実施例の加湿調整処理では、空気循環用エジェクタ４５の出口側の圧力を調整し、入口側の圧力は調整しない。すなわち、加湿量を変化させるために、エアコンプレッサ４０の回転数を制御して空気循環用エジェクタ４５への供給量を変化させる必要がない。したがって、加湿量の調整のためにエアコンプレッサ４０の性能を上げる必要はなく、要求負荷に対応することができるだけの性能を備えたエアコンプレッサ４０によりシステムを構築することができる。
【００５３】
また、本実施例では、循環配管７０と空気排気配管５１との分岐点を、調圧バルブ５５の上流に設けている。すなわち、加湿調整処理において循環配管７０内の排ガスの圧力も大気圧よりも高い所定値に調整される。その結果、循環配管７０内の圧力が大気圧である場合に比べ、ノズル４５ｂ近傍の圧力低下が少なくても所定量の排ガスを循環することができる。したがって、エアコンプレッサ４０の性能を上げることなく所定の循環量を確保することができる。
【００５４】
なお、本実施例の加湿調整処理によれば、調整する圧力に応じて、加湿量を変化させることができるため、例えば、可変タイプのエジェクタを備えたり、供給流量に応じて複数の能力の異なるエジェクタを配置したりする必要はない。したがって、システムを簡素なものとすることができる。
【００５５】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【００５６】
本実施例の加湿調整処理で変動する圧力値は、燃料電池２０の圧力調整処理において調整する所定範囲内に収まる範囲であるとして、加湿調整処理において、特に圧力調整処理による制限を加えていないが、例えば、以下に示すように、圧力調整処理を加味した加湿調整を行なうものとしても良い。
【００５７】
図４は、圧力調整処理を加味した加湿調整処理のフローチャートである。この処理は、本実施例の加湿調整処理と同様、所定の運転タイミングで制御ユニット１００にて実行される。なお、ハード構成は、図１に示した構成と同様であるため説明を省略する。
【００５８】
処理を開始すると、制御ユニット１００は、各センサによる検出値を入力する（ステップＳ４００）。この処理は、図３のステップＳ３００と同様の処理である。続いて、制御ユニット１００は、入力した検出値のうち、燃料電池２０の空気（排ガス）の出口圧力Ｐが所定範囲（下限閾値β１，上限閾値β２）内であるか否かを判断する（ステップＳ４１５）。この所定範囲の閾値β１，β２は、燃料電池システム１０全体の性能を考慮して予め設定されている。
【００５９】
ステップＳ４１５で、検出した圧力Ｐが閾値β１以下である（Ｐ≦β１）と判断した場合には、調圧バルブ５５の開度を減少する処理を行ない（ステップＳ４３０）、ＮＥＸＴに抜ける。また、ステップＳ４１５で、圧力Ｐが閾値β２以上である（β２≦Ｐ）と判断した場合には、調圧バルブ５５の開度を増加する処理を行ない（ステップＳ４４０）、ＮＥＸＴに抜ける。すなわち、検出した圧力Ｐが所定範囲に収まらない場合には、調圧バルブ５５の開度を所定量増減して、圧力を所定範囲に収める処理を行なう。
【００６０】
他方、ステップＳ４１５で、検出した圧力Ｐが所定範囲内に収まる（Ｙｅｓ）と判断した場合には、加湿調整処理を実行し（ステップＳ４６０）、ＮＥＸＴに抜ける。この加湿調整処理は、図３に示した処理と同様である。こうしてＮＥＸＴに抜けた後、所定タイミングでこの一連の処理を繰り返す。
【００６１】
以上、変形例としての加湿調整処理では、燃料電池２０の出口圧力Ｐが所定の範囲に収まっている場合にのみ、加湿量の調整を行なう。つまり、燃料電池２０の出口圧力Ｐを所定範囲に収めることを優先し、加湿調整処理に伴う調圧バルブ５５の圧力の調整に制限を加える。こうした処理を繰り返すことで、燃料電池２０内を適切に加湿することができると共に、燃料電池２０の出口圧力Ｐが所定範囲を大きく外れることを抑制することができる。
【００６２】
本実施例の加湿調整処理は、図１に一例を示した燃料電池システムに限らず、種々の燃料電池システムの形態に採用することができる。例えば、図１の燃料電池２０への空気の供給は、エアコンプレッサ４０に代えて、酸素を貯蔵したタンクからの供給であっても良い。また、可変タイプのエジェクタや複数のエジェクタを、排ガスの循環用に用いたシステムに採用するものとしても良い。
【００６３】
図５は、加湿調整処理を採用する複数のエジェクタを用いた燃料電池システムの一部を示す概略構成図である。図示するように、異なる循環性能を備えた２つのエジェクタ１１０，１２０を空気の供給ライン上に配置する。なお、燃料電池システムのその他の部分（図示しない部分）は、図１に示した燃料電池システム１０と同一である。
【００６４】
２つのうち、第１のエジェクタ１２０は第１供給配管１２１上に配置する。第１供給配管１２１は、一端をエアコンプレッサ４０近傍に配置する三方弁１１２と、他端を燃料電池２０とそれぞれ接続されている。第２のエジェクタ１１０は第２供給配管１１１上に配置する。第２供給配管１１１は、一端を三方弁１１２と、他端を第１のエジェクタ１２０の下流の第１供給配管１２１とそれぞれ接続されている。エアコンプレッサ４０からの空気は、三方弁１１２の作用により、いずれかのエジェクタ１１０，１２０を通過して燃料電池２０に供給される。いずれのエジェクタ１１０，１２０を通過するかは、システムの運転状況に応じて制御ユニット１００で判断され、制御ユニット１００の指令を受けた三方弁１１２が内部の流路を切り換えることで行なわれる。
【００６５】
こうした供給ラインと同様に、燃料電池２０からの排ガスの循環ライン上にも、三方弁１２２が設けてある。循環ライン上の三方弁１２２は、２つのエジェクタ１１０，１２０の吸い込み側と接続しており、制御ユニット１００からの指令を受けて流路を切り換え、空気排気配管５１上を流れる排ガスを、第２のエジェクタ１１０あるいは第１のエジェクタ１２０の吸い込み側に導く。なお、三方弁１２２の流路の切り換えは、供給ライン側の三方弁１１２の切り換えタイミングに併せて実行される。
【００６６】
この燃料電池システムでは、燃料電池２０への空気の供給流量に応じて、循環性能の異なるエジェクタのいずれかを選択することで、加湿量を調整することができる。こうしたシステムに本実施例の加湿調整処理（調圧バルブ５５の圧力制御）を適用することで、より一層、精度の高い加湿の調整を行なうことができる。
【００６７】
本実施例の加湿調整処理では、空気循環用エジェクタ４５の上流側であるエアコンプレッサ４０は、特に加湿の制御には関与しないものとして説明したが、加湿の制御に併せて、エアコンプレッサ４０の回転数を制御するものとしても良い。例えば、加湿量を増やす場合には、調圧バルブ５５の開度の増加に併せてエアコンプレッサ４０の回転数を増加する。こうすることで、加湿調整処理における応答性を向上することができる。
【００６８】
本実施例では、固体高分子膜を電解質膜として用いるものとしたが、所定範囲の湿潤状態で良好に作用する電解質膜であれば、どのような電解質膜であっても良い。こうした電解質膜を有する燃料電池と、排ガス中の水分を利用して供給空気を加湿するエジェクタとを備えた燃料電池システムであれば、本実施例の加湿調整処理を適用し、適切な加湿を行なうことができる。また、本実施例では加湿調整処理用のバルブとして調圧バルブ５５を用いるものとしたが、別途、専用のバルブを設けて、加湿の制御を行なうものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】空気循環用エジェクタの概略構成を示す説明図である。
【図３】本実施例の燃料電池システムにおける加湿調整処理を示すフローチャートである。
【図４】圧力調整処理を加味した加湿調整処理のフローチャートである。
【図５】加湿調整処理を採用する複数のエジェクタを用いた燃料電池システムの一部を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０...燃料電池システム
２０...燃料電池
２１...単セル
３０...水素循環用エジェクタ
３１，３２...水素タンク
３４，３５...シャットバルブ
３７...水素供給配管
３８，６３...シャットバルブ
３９，６６...チェックバルブ
４０...エアコンプレッサ
４５...空気循環用エジェクタ
４５ａ...ニードル
４５ｂ...ノズル
４５ｃ...ディフューザ
４６...エアフィルタ
４７...空気供給配管
５１...空気排気配管
５５...調圧バルブ
５６...温度センサ
５７...圧力センサ
６１...水素排気配管
６４...気液分離器
６５...パージバルブ
６７...排出配管
７０...循環配管
８１...希釈器
８２...マフラ
８５...冷却装置
９１...二次電池
９２...モータ
９５...電圧計
９６...電流計
１００...制御ユニット
１０１...ＣＰＵ
１０２...ＲＯＭ
１０３...ＲＡＭ
１１０，１２０...エジェクタ
１１１...第２供給配管
１２１...第１供給配管
１１２，１２２...三方弁
【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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