(57)【要約】【課題】燃料電池が排出する不活性ガスを含む混合ガスを蓄えておき、再度前記燃料電池に供給することにより、燃費の向上を目的とする。【解決手段】燃料電池１と、前記燃料電池１の酸化剤極へ発電反応に必要とされる空気を供給する酸化剤供給通路３と、前記燃料電池の燃料極へ発電反応に必要とされる反応ガスを供給するガス供給通路２を備える。前記燃料電池の発電反応後、燃料極が排出する未反応の反応ガスおよび酸化剤極より混入する不活性ガスの混合ガスを前記供給通路へと環流するガス循環系５と、前記ガス循環系の前記混合ガスを排出するガス排出手段４とを備える。前記ガス循環系５から排出される前記混合ガスを蓄えるガス貯蔵手段６を備え、前記ガス貯蔵手段６に蓄えた前記混合ガスを前記ガス供給通路２に再度供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に燃料極および酸化剤極を配置する燃料電池と、
前記燃料電池の酸化剤極へ発電反応に必要とされる空気を供給する酸化剤供給通路と、
前記燃料電池の燃料極へ発電反応に必要とされる反応ガスを供給するガス供給通路と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電反応後、燃料極が排出する未反応の反応ガスおよび酸化剤極より混入する不活性ガスの混合ガスを前記ガス供給通路へと環流するガス循環系と、
前記ガス循環系から前記混合ガスを排出するガス排出手段と、
前記ガス循環系に還流する前記混合ガスの一部を蓄えるガス貯蔵手段を備え、
前記ガス貯蔵手段に蓄えた前記混合ガスを前記ガス供給通路に再度供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス貯蔵手段は、前記混合ガスを蓄えるガス貯蔵装置と、前記混合ガスの導入および排出側それぞれに配置したバルブを備え、
前記ガス排出手段は、前記混合ガスの排出を制御するバルブを備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ガス供給通路の前記ガス循環系の接続部より下流で、前記燃料電池の上流のガス供給通路から分岐した通路に前記ガス貯蔵手段およびその下流に前記ガス排出手段を備え、
前記ガス排出手段より排出する前記混合ガスの一部を前記ガス貯蔵手段に蓄えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガス循環系に並列な分岐通路に前記ガス貯蔵手段を備え、
前記燃料電池から排出され、前記ガス貯蔵手段に蓄えられた前記混合ガスを前記分岐通路からガス循環系またはガス供給通路へ導入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス貯蔵手段の上流または下流から分岐した通路に前記ガス排出手段を備える請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス循環系には混合ガスを強制循環させる循環ポンプと、前記混合ガスの循環圧力を制御する調圧弁を備える請求項４または請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ガス循環系または前記ガス貯蔵手段には前記混合ガス中の不活性ガス濃度を推定または検出するガス濃度測定手段を備える請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ガス循環系から前記ガス供給通路への接続部には第１のイジェクタを設ける請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の燃料電池ステム。
【請求項９】
前記分岐通路から前記ガス循環系または前記ガス供給通路への接続部には第２のイジェクタを設ける請求項４から請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池が排出するガスを蓄え、その蓄えたガスを再利用する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池が排出する未反応のガスを循環通路に流し、再度燃料電池にそのガスを供給するものが知られている。これによれば、燃料電池の運転状態によらず過不足のない反応ガスを燃料電池に供給することで、十分な反応ガスの循環量を確保して高効率を達成している。（例えば、特許文献１、参照。）
【特許文献１】特開２００３−１５１５９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の燃料電池が排出する未反応のガスを再利用する循環通路を備えた燃料電池システムにおいて、所定のタイミングで循環通路に存在する未反応のガスの一部または全部を廃棄していたため、燃料の消費が悪化するといった問題があった。
【０００４】
そこで本発明では、上記問題を鑑みて、燃料電池の燃費のロスを抑制する燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
電解質膜の両側に燃料極および酸化剤極を配置する燃料電池と、前記燃料電池の酸化剤極へ発電反応に必要とされる空気を供給する酸化剤供給通路と、前記燃料電池の燃料極へ発電反応に必要とされる反応ガスを供給するガス供給通路とを備える。前記燃料電池の発電反応後、燃料極が排出する未反応の反応ガスおよび酸化剤極より混入する不活性ガスの混合ガスを前記ガス供給通路へと環流するガス循環系と、前記ガス循環系から前記混合ガスを排出するガス排出手段と、前記ガス循環系に還流する前記混合ガスの一部を蓄えるガス貯蔵手段とを備え、前記ガス貯蔵手段に蓄えた前記混合ガスを前記ガス供給通路に再度供給する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、燃料電池の循環通路の燃料電池が排出する混合ガスを排出する際に、その混合ガスを貯蔵手段に蓄えておき、燃料電池が所定の運転状態のとき、その蓄えたガスを燃料電池に供給し再利用する。これによって、燃料電池システムの燃費が著しく向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成を図１に示す。
【０００８】
本実施形態において、反応ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池１を備える。反応ガスとしては水素ガスを、また酸化剤ガスとしては空気を用いる。なお、反応ガスはこの限りではなく、例えば反応ガスとしては改質装置により改質された水素含有ガス等を用いることもできる。
【０００９】
燃料電池１は発電反応時に、燃料ガスおよび酸化剤ガスを消費する。そのとき、燃料電池１の燃料極には、発電反応の必要量よりも燃料ガスを過剰に供給する。また、酸化剤極においては、酸化剤ガスに含まれる不活性ガス（窒素ガス）が微量ではあるが燃料電池１の電解質膜を介し、酸化剤極から燃料極へとクロスリークし燃料極へと混入する。
【００１０】
したがって、燃料電池１は発電反応に対し余剰な燃料ガスと酸化剤極から燃料極へとクロスリークした不活性ガスとの混合ガスを排出する。
【００１１】
燃料電池１の発電反応を行うため、図示しない燃料ガスのタンクから燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス供給通路２および空気を燃料電池１に供給する酸化剤供給通路３を備える。また、燃料電池１が発電反応に使用しなかった酸化剤ガスを排出する酸化剤排出通路１０、および燃料電池１の下流から上流の燃料ガス供給通路２へ上述の混合ガスを導入する燃料ガス循環通路５を備える。燃料ガス循環通路５の燃料ガス供給通路２への接続部には燃料ガス供給通路２を流れるガスの流体エネルギーを利用して燃料ガス循環通路５の混合ガスを吸引するイジェクター１１を備える。
【００１２】
イジェクター１１を備えることにより、燃料電池１が排出した混合ガスを差圧のみを利用した場合と比較してより円滑に燃料ガス供給通路２へ導入することができる。
【００１３】
燃料電池１の上流でイジェクター１１の下流の燃料ガス供給通路２から分岐するガス排出通路４の途中にガス貯蔵装置６を設ける。ガス貯蔵装置６の上流と下流には、それぞれバルブ７とバルブ８を設ける。これらバルブ７とバルブ８の開閉により、燃料ガス循環通路５に存在する燃料電池１が排出した混合ガスを蓄え、あるいはガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを再度燃料電池１に供給する。ここで、ガス貯蔵装置６は、ガスを貯蔵できる空間であればよく、配管そのものもガス貯蔵装置６としての役割を果たす。
【００１４】
さらに、燃料電池１にて生じる電力および本システムにおける機器やバルブ７、バルブ８等を制御するコントローラ９を備える。
【００１５】
次に作用を説明する。
【００１６】
燃料ガス循環通路５の混合ガス中の不活性ガスの濃度が高まり、燃料電池システムより混合ガスを排出する際には、コントローラ９からの信号によりバルブ７とバルブ８を開くと燃料ガス循環通路５の混合ガスは必ずガス貯蔵装置６を通過し、システム外へと排出される。
【００１７】
なお、混合ガス中の不活性ガス濃度は燃料電池１の運転時間などに基づいて電力制御手段９で推定する。
【００１８】
燃料ガス循環通路５の混合ガスの排出を停止するにはバルブ７とバルブ８を閉じるが、そのときガス貯蔵装置６には燃料電池１が排出した混合ガスの一部が蓄えられる。
【００１９】
なお、燃料ガス循環通路５の混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄えるときは、燃料ガス供給通路２または燃料ガス循環通路５の圧力がガス貯蔵装置６の圧力より高ければ、燃料ガス循環通路５の混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄えることが容易となる。
【００２０】
このため、ガス貯蔵装置６への混合ガスの貯蔵は、燃料ガス循環通路５の圧力が高く燃料電池１の負荷が比較的高い場合などに行うことが好ましい。
【００２１】
ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスには、燃料ガスの成分が含まれており、燃料電池１の燃料ガスの消費量の少ない運転時、例えばアイドル時などではこの混合ガスの供給によっても十分に発電が可能となる。
【００２２】
そこで、燃料電池１のアイドル運転時など、燃料ガス供給通路２の燃料ガスの供給量が少なく、圧力の低いときに、バルブ７を開くと、ガス貯蔵装置６に蓄えられた混合ガスは、燃料電池１に送り込まれる。この場合、ガス貯蔵装置６の混合ガス圧力が燃料ガス供給通路２の圧力よりも高いので、燃料ガスの含有成分が少なくても、燃料極に十分に浸透し、燃料電池１での発電反応効率は良好に維持される。
【００２３】
このようにしてガス貯蔵装置６の混合ガスを消費したら、バルブ７を閉じ、次の混合ガスの充填機会に備える。
【００２４】
本実施形態の効果について説明する。
【００２５】
本実施例では、燃料ガス循環通路５の混合ガスを排出する際、そのガスの一部をガス貯蔵装置６に蓄え、さらにそのガスを燃料電池１に再供給するシステムとしたので、本来は燃料電池システム外へと排出する混合ガスを再利用でき、燃料電池システムの燃費を著しく向上させられる。
【００２６】
また、ガス貯蔵装置６は燃料ガス循環通路５が接続する燃料ガス供給通路２の下流に接続したので、ガス貯蔵装置６に対する混合ガスの貯蔵と放出のために特別な圧力調整手段などを備えなくても、ガス貯蔵装置６に混合ガスを比較的高い圧力で蓄えることができ、また混合ガスを燃料電池１に供給することができる。
【００２７】
ガス貯蔵装置６に対する混合ガスの蓄積は、燃料ガス循環通路５の混合ガスの圧力が高いときに行うことにより、圧力の高い状態で混合ガスを蓄えられ、その蓄積量も増す。
【００２８】
また、ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスの再利用は、燃料電池１の運転負荷が小さい、アイドル時などに行うことで、燃料ガスの濃度が低くても、効果的に燃料電池１での発電反応に寄与できる。
【００２９】
次に第２実施形態について、第１実施形態と異なる部分について図２を参照して説明する。
【００３０】
燃料電池１が排出した混合ガスを貯蔵するため、燃料ガス循環通路５と並列に分岐通路１９を設け、その途中にバルブ１４を介しガス貯蔵装置６を備える。ガス貯蔵装置６に蓄えたガスを燃料ガス循環通路５の導入する接続部にはイジェクター１５を備え、イジェクター１５の上流でガス貯蔵装置６の下流にバルブ１３を備える。
【００３１】
また、燃料電池１の下流の燃料ガス循環通路５からバルブ１２を介し、混合ガスを本システムの外へ排出するガス排出通路４を燃料電池１の下流に備える。
【００３２】
ここで、バルブ１２の開閉により燃料電池１の排出した混合ガスを排出し、あるいはその混合ガスを本システム内で循環させる。
【００３３】
また、バルブ１３とバルブ１４の開閉により、燃料電池１が排出した混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄え、あるいはガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを燃料ガス循環通路５へと導入する。
【００３４】
次に作用を説明する。
【００３５】
燃料ガス循環通路５の混合ガス中の不活性ガスの濃度が高まり、燃料電池システム内の混合ガスを排出する際には、バルブ１２を開くことにより燃料ガス循環通路５を循環している混合ガスはシステム外へと排出される。また、燃料ガス循環通路５の混合ガスの排出を停止するにはバルブ１２を閉じる。
【００３６】
また、ガス貯蔵装置６に燃料ガス循環通路５の混合ガスを蓄える際には、燃料ガス循環通路５とガス貯蔵装置６は並列につながっているため差圧を要しない。したがって、バルブ１３とバルブ１４の開閉によりガス貯蔵装置６に燃料ガス循環通路５を循環する混合ガスの一部が蓄えられる。
【００３７】
このため、燃料電池１が排出した混合ガスを蓄えるときは比較的燃料電池１の出力が高い状態、すなわち、本システム内の圧力が高い状態のときが好ましい。
【００３８】
そして、燃料ガス循環通路５より燃料電池１に供給する燃料ガスの圧力が低いときに、バルブ１３を開くとガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスがイジェクター１５を介して燃料ガス循環通路５へ導入され、燃料電池１に送り込まれる。この場合、ガス貯蔵装置６に混合ガスを蓄えたときよりも、燃料電池１の出力が低くさらに、燃料ガス循環通路５の圧力が低いため、燃料電池１の発電反応率は良好に維持され、ガス貯蔵装置６に蓄えられた混合ガスもスムーズに燃料ガス循環通路５に導入される。
【００３９】
本実施形態の効果について説明する。
【００４０】
本実施形態では、ガス貯蔵装置６を燃料電池１の下流であって、燃料ガス循環通路５と並列な分岐回路１９に設けたため、燃料ガス循環通路５の混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄える際、圧力の損失を抑制することができる。
【００４１】
ガス貯蔵装置６に対する混合ガスの蓄積は、燃料ガス循環通路５の混合ガスの圧力が高いときに行うことにより、圧力の高い状態で混合ガスを蓄えられ、その蓄積量も増す。
【００４２】
また、ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを再利用する際には、燃料ガス循環通路５へイジェクター１５を介することによって燃料電池１への供給がより円滑になる。
【００４３】
次に第３の実施形態について、第２実施形態と異なる部分を中心に図３を参照して説明する。
【００４４】
燃料電池１が排出した混合ガスを循環する燃料ガス循環通路５と並列な分岐回路１９の途中にガス貯蔵装置６を設ける。
【００４５】
分岐回路１９のガス貯蔵装置６の上流にはバルブ１４を備える。ガス貯蔵装置６が排出した混合ガスの燃料ガス供給通路２への接続部にはイジェクター１５を備える。ただし、イジェクター１５は燃料ガス循環通路５の接続部に設けるイジェクター１１の上流に備える。
【００４６】
ガス貯蔵装置６の下流でイジェクター１５の上流にバルブ１３を備える。さらにガス貯蔵装置６の下流でバルブ１３の上流からはバルブ１２を介してガス排出通路４を分岐する。また、ガス貯蔵装置６には、貯蔵される混合ガスの不活性ガスの濃度を推定する不活性ガス推定手段１８を備える。
【００４７】
ここで、不活性ガス推定手段１８は、例えば、燃料電池１が排出した混合ガス中の燃料ガスの濃度を検出または推定する方法を用いて不活性ガスの濃度を推定してもよいし、燃料電池１における電圧を基に燃料ガスの濃度を予測しさらに不活性ガスの濃度を推定してもよい。
【００４８】
燃料ガス循環通路５の混合ガス中の不活性ガスの濃度が高まり、不活性ガス推定手段１８において推定した不活性ガスの濃度が所定値よりも高い場合には燃料電池システム内の燃料ガスの濃度を回復するために、バルブ１３を閉じ、バルブ１２とバルブ１４を開く。これによって、燃料ガス循環通路５の混合ガスは必ずガス貯蔵装置６を通過し、システム外へと排出される。燃料ガス循環通路５の混合ガスの排出を停止するにはバルブ１２とバルブ１４を閉じるが、そのとき同時にガス貯蔵装置６に燃料電池１が排出した混合ガスの一部が蓄えられる。混合ガスのシステム外への排出の停止は、不活性ガス推定手段１８の推定値が規定よりも低下した場合に行う。
【００４９】
なお、燃料ガス循環通路５の混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄えるときは、システム内を循環する混合ガスの圧力が高ければ、燃料ガス循環通路５の混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄えることが容易となる。
【００５０】
このため、ガス貯蔵装置６への混合ガスの貯蔵は、燃料ガス循環通路５の圧力が高く燃料電池１の負荷が比較的高い場合などに行うことが好ましい。
【００５１】
ガス貯蔵装置６には不活性ガス推定手段１８を備えており、ガス貯蔵装置６に貯蔵された混合ガスの不活性ガスの濃度を推定している。そこで、推定したガス貯蔵装置６に蓄えられた混合ガスの不活性ガスの濃度が所定値よりも低い場合には、バルブ１３を開きガス貯蔵装置６に蓄えられた混合ガスを再度燃料電池１に供給する。ここで、不活性ガスの濃度の所定値とは、実験および計算等から燃料電池１の目的とする負荷が十分得られる値である。
【００５２】
本実施形態の効果について説明する。
【００５３】
ガス貯蔵装置６には不活性ガス推定手段１８を備え、下流にガス排出通路４を備えたことで、ガス貯蔵装置６を通過した燃料ガス循環通路５の混合ガスの不活性ガス濃度を検出し、排出の可否を判断でき、無駄な混合ガスの排出を抑制でき、さらなる燃費向上につながる。
【００５４】
ガス貯蔵装置６が排出した混合ガスを燃料ガス供給通路２へ導入する部分を燃料ガス循環通路５が混合ガスを燃料ガス供給通路２へ導入する部分より上流に備えることにより、燃料ガスを含有する混合ガスの循環量が上昇し、燃料電池１に循環供給する混合ガスの圧力が高くなり、燃料電池１の出力を上げることができる。
【００５５】
次に第４の実施形態について、第３実施形態と異なる部分を中心に図４を参照して説明する。
【００５６】
燃料電池１の下流から上流の燃料ガス供給通路２へ燃料電池１が排出した混合ガスを導入する燃料ガス循環通路５を備え、燃料ガス循環通路５の途中にガス循環ポンプ１７を備える。燃料ガス循環通路５において、ガス循環ポンプ１７の上流には、燃料電池１が排出した混合ガスの流量を調整し、燃料ガス循環通路５の調圧を目的とする絞り弁１６を備える。
【００５７】
また、燃料電池１の下流から燃料ガス循環通路５と並列に分岐回路１９を分岐させ、この分岐回路１９の途中にバルブ１４を介してガス貯蔵装置６を備える。ガス貯蔵装置６の下流では燃料ガス循環通路５のガス循環ポンプ１７の上流へ接続する。ここで、本実施形態においては上述した接続部はガス循環ポンプ１７の上流としたが、下流で接続してもよい。また、上述の接続部の上流でガス貯蔵装置６の下流にはバルブ１３を備える。
【００５８】
一方、ガス貯蔵装置６からはバルブ８を介して、ガス貯蔵装置６が蓄えた混合ガスを排出するガス排出通路４を備える。
【００５９】
燃料ガス循環通路５の混合ガス中の不活性ガスの濃度が高まり、燃料電池システムより混合ガスを排出する際には、バルブ８とバルブ１４を開くと燃料ガス循環通路５の混合ガスは必ずガス貯蔵装置６を通過し、システム外へと排出される。また、燃料ガス循環通路５の混合ガスの排出を停止するには、バルブ８とバルブ１４を閉じる。
【００６０】
次に、ガス貯蔵装置６に燃料ガス循環通路５の混合ガスを蓄える際には、絞り弁１６の開度を小さくし、バルブ１３とバルブ１４の開閉を行う。絞り弁１６の開度を調整することにより燃料ガス循環通路５の圧力を一時的に高くすることで、燃料電池１が排出した混合ガスのガ貯蔵装置６への貯蔵を容易にする。
【００６１】
また、ガス貯蔵装置６が貯蔵した混合ガスを燃料ガス循環通路５へ導入する際には、燃料ガス循環通路５の圧力がガス貯蔵装置６より低いことが好ましい。したがって、絞り弁１６の開度を開きバルブ１３を開くことによって、ガス貯蔵装置６に貯蔵した混合ガスを燃料ガス循環通路５への導入が容易となる。
【００６２】
循環ポンプ１７の出力と、絞り弁１６の開度とを調節することによって、燃料ガス循環通路５および分岐通路１９の混合ガスの圧力を制御し、ガス貯蔵装置６に燃料ガス循環通路５の混合ガスの貯蔵、またガス貯蔵装置６が貯蔵した混合ガスを再度燃料電池１への供給を行う。
【００６３】
本実施形態の効果について説明する。
【００６４】
燃料ガス循環通路５に絞り弁１６とガス循環ポンプ１７とを備え、絞り弁１６の開度とガス循環ポンプ１７の出力を調節することによりガス貯蔵装置６の圧力を制御でき、燃料電池１が排出した混合ガスをガス貯蔵装置６への貯蔵、または、ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを燃料電池１への再供給が、燃料電池１の出力と無関係に可能となる。
【００６５】
また、燃料ガス循環通路５の混合ガスを排出するガス排出通路４をガス貯蔵装置６に設けたことで、システム外に排出する混合ガスの組成を把握することが容易となる。
【００６６】
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発明の技術的思想の範囲内で当業者がなしうるさまざまな改良、変更が含まれることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１の実施形態のシステムのブロック図である。
【図２】第２の実施形態のシステムのブロック図である。
【図３】第３の実施形態のシステムのブロック図である。
【図４】第４の実施形態のシステムのブロック図である。
【符号の説明】
【００６８】
１    燃料電池
２    ガス供給通路
３    酸化剤供給通路
４    ガス排出通路（ガス排出手段）
５    燃料ガス循環通路（ガス循環系）
６    ガス貯蔵装置（ガス貯蔵手段）
７    バルブ
８    バルブ
１１    イジェクター（第１のイジェクター）
１５    イジェクター（第２のイジェクター）
１６    絞り弁（調圧弁）
１７    ガス循環ポンプ
１８    不活性ガス推定手段（ガス濃度測定手段）
１９    分岐回路
【図１】
2006164894.tif 000003
【図２】
2006164894.tif 000004
【図３】
2006164894.tif 000005
【図４】
2006164894.tif 000006