(57)【要約】【課題】燃料電池により発電した電力を使わずに燃料の循環を行うことを可能にする。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池３を備え、燃料電池３から排出された燃料排ガスを再度燃料電池３に供給する循環路８を有する。そして、循環経路８において、燃料電池３から排出された酸化剤排ガスを動力源として燃料排ガスが循環される。燃料排ガスを循環するための具体的構成としては、循環路８に循環装置２０が設置される。この循環装置２０は、酸化剤排ガスのエネルギーを回生する膨張機２２と、回生されたエネルギーにより燃料排ガスを循環させる圧縮機２１とにより構成され、膨張機２２からの軸動力により圧縮機２１が駆動される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備え、当該燃料電池から排出された燃料排ガスを再度燃料電池に供給する循環経路を有する燃料電池システムであって、
前記循環経路において、燃料排ガスは燃料電池から排出された酸化剤排ガスを動力源として循環されること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記循環経路に循環装置が設置され、
前記循環装置は、酸化剤排ガスのエネルギーを回生する膨張機と、回生されたエネルギーにより燃料排ガスを循環させる圧縮機とにより構成され、前記圧縮機は前記膨張機からの軸動力により駆動されることを特徴と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、
前記燃料電池は、酸化剤排ガスを排出する酸化剤ガス排気管を備え、この酸化剤ガス排気管が前記循環装置に接続され、酸化剤排ガスが前記膨張機に導入されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記循環装置は膨張機の低圧部と圧縮機の高圧部とが近接しない構造とされていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記膨張機では、酸化剤排ガスが圧縮機から離れた位置から導入され、圧縮機に近い位置から排出されると共に、前記圧縮機では、燃料排ガスが膨張機に近い位置から導入され、膨張機から離れた位置から排出されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記膨張機と圧縮機とが一体化されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記圧縮機から排出される燃料排ガスをパージするパージ路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ路は前記膨張機に接続され、圧縮機から排出される燃料排ガスの一部が膨張機に導入され希釈されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記循環装置は補助モータを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記循環経路に補助ポンプが設置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス排気管は、前記膨張機を迂回するバイパス流路を有することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料排ガスを循環経路により循環し、再利用する燃料電池システムの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車等の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池の燃料極及び酸化剤極に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギー変換システムである。燃料電池システムでは、前記電気化学反応によって生成するのは水のみであって、有害物質を含む排気ガスや二酸化炭素が排出されることはない。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいては、供給された燃料ガス（水素ガス）が全て燃料電池で使用されるわけではなく、燃料ガスの利用効率を上げるための工夫として、燃料電池で使用されなかった未使用の燃料ガスを、再度燃料電池へと循環させて再利用する燃料ガス循環形式の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照）。
【０００４】
例えば、特許文献１には、燃料ガスと酸化剤ガスとが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ガスを供給するための燃料供給流路と、前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを前記燃料供給流路の何れかの位置に合流させ前記燃料ガスを循環させるための燃料循環流路と、前記未反応の燃料ガスを取り込んで送り出す燃料ポンプと、前記燃料ガスが流れる際に発生する負圧を利用して前記未反応の燃料ガスを吸入し前記燃料ガスに合流させるエゼクタとを備えた燃料循環式燃料電池システムが開示されている。特許文献１記載の発明では、エゼクタを併用することで、燃料ポンプの大きさを小さくすることができ、燃料ポンプの消費電力を抑制できるとしている。
【０００５】
一方、特許文献２には、例えば請求項１１として、水素ガスの供給源が高圧容器である燃料電池システムにおいて、前記高圧容器から燃料電池までの水素供給経路に配置され流入する水素ガスを減圧膨張させる膨張機と、前記膨張機にて膨張する水素ガスの膨張エネルギーを回転エネルギーとして出力する回転出力軸と、前記燃料電池から排出された未反応水素ガスを該燃料電池の前記水素供給経路に戻す循環経路と、該循環経路中に設けられ水素ガスを循環させる水素ポンプと、前記水素ポンプを駆動するための電動機とを有し、前記回転出力軸と前記水素ポンプと前記電動機が機械的に接続されている燃料電池システムが開示されている。例えば、段落番号００５９以下に記載されている第７実施形態等にも記載されるように、特許文献２記載の発明では、高圧水素タンクから水素ガスを燃料電池に供給する際、膨張機により水素ガスの膨張エネルギーを回収し、回収した膨張エネルギーを機械エネルギーとして取り出し、水素循環ポンプの駆動エネルギーとして利用しているので、水素循環ポンプ発電機のエネルギーを削減できるとしている。
【特許文献１】特開２００３−１５１５８８号公報
【特許文献２】特開２００３−２１７６４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の発明のようにエゼクタを利用した循環システムでは、エゼクタの特性上、高密度のガスの循環流量を確保できないため、これを補うためのポンプの消費電力が大きいという問題がある。
【０００７】
一方、特許文献２記載の発明では、高圧水素のエネルギーを利用する構成になっているため、液体燃料の改質により水素を得る燃料電池システムや、ダイレクト燃料電池システム等の高圧燃料ガスを用いない燃料電池システムにおいては、循環ポンプを駆動するためのエネルギーが得られないという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する欠点を解消することを目的に提案されたものである。すなわち、本発明は、燃料の種類によらず燃料を循環するための駆動力を得ることができ、燃料電池により発電した電力を使わずに燃料の循環を行う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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池から排出された燃料排ガスを再度燃料電池に供給する循環経路を有する燃料電池システムである。そして、前記循環経路において、燃料電池から排出された酸化剤排ガスを動力源として燃料排ガスが循環されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池により発電した電力を使わずに燃料の循環を行うことが可能であり、システム全体のエネルギー効率を大幅に向上することができる。また、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料排ガス循環のためのエネルギーを酸化剤排ガスのエネルギーを利用して得るようにしているので、燃料が高圧燃料ガスである必要が無く、液体燃料の改質により水素を得る燃料電池システムや、ダイレクト燃料電池システム等の高圧燃料ガスを用いない燃料電池システムにおいても、前記循環のためのエネルギーを得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成を示すものである。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、主に、水素ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給源１、空気を酸化剤ガスとして供給する酸化剤ガス供給装置２、及び発電を行う燃料電池３を備えて構成されている。
【００１３】
燃料電池３は、燃料ガス（水素ガス）が供給されるアノード４と、酸化剤ガス（空気）が供給されるカソード５とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、通常は、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。アノード４では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード５にそれぞれ移動する。カソード５では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００１４】
燃料電池３の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１５】
前記燃料電池３においては、燃料ガスや酸化剤ガスを前記アノード４やカソード５に供給する必要があり、そのための機構が燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段である。
【００１６】
ここで、燃料ガス供給手段について説明すると、燃料ガス供給手段は、例えば、前述の水素タンク等の燃料供給源１の他、供給される燃料ガスの流量、圧力等を調整する燃料ガス供給バルブや水素調圧弁を備え、燃料ガス供給ライン６によって燃料電池３に燃料ガスを供給する構成とされている。すなわち、燃料供給源１から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給バルブや水素調圧弁によって圧力や流量が調整された後、前記燃料ガス供給ライン６を通って燃料電池３のアノード４に送り込まれる。
【００１７】
燃料電池３では供給された燃料ガスが全て消費されるわけではなく、残った燃料ガス（燃料電池３のアノード４から排出される燃料排ガス）は、循環されて再び燃料電池３に供給される。したがって、燃料電池３のアノード４の出口には、燃料排ガス排気管７の他、燃料排ガスを前記燃料ガス供給ライン６へ導く循環路８が設けられ、燃料電池３のアノード４から排出される燃料排ガスは、燃料排ガス排気管７及び循環路８を通って循環され、新たに燃料供給源１から供給される燃料ガスと混合されて、再び燃料電池３のアノード４に供給される。
【００１８】
なお、前記循環路８の中途位置には、パージ用バルブ９が設けられている。このパージ用バルブ９は、燃料電池３のアノード４からの燃料排ガスを外部に放出する機能を有するものであり、これを開閉操作することで、燃料排ガスが循環路８から外部へと放出される。燃料ガス、例えば水素を循環させると、時間経過に伴って循環路８内に窒素やＣＯ等の不純物が蓄積し、水素分圧が降下していく。そのため、燃料電池３の効率が低下するという問題が生ずる。そこで、不純物濃度が高くなった場合や、燃料電池システム起動時には、前記パージ用バルブ９を開放し、循環路８内のガスをパージする。これにより、循環路８内から不純物を除去することができる。
【００１９】
一方、酸化剤ガス供給手段は、外気を吸入し燃料電池３のカソード５に酸化剤ガスである空気を圧送するための圧縮機１０及びモータ１１により構成される酸化剤ガス供給装置２と、ここから圧送される酸化剤ガスを燃料電池３のカソード５へと導く酸化剤ガス供給配管１２、さらには燃料電池３のカソード５から酸化剤排ガスを排出するための酸化剤排ガス排気管１３とから構成されている。前記圧縮機１０及びモータ１１により酸化剤ガス（空気）が酸化剤ガス供給配管１２に送り込まれ、必要に応じて加湿装置等で加湿された後、燃料電池３のカソード５に供給される。燃料電池３で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、酸化剤排ガス排気管１３から排出される。なお、酸化剤排ガス排気管１３には、圧力調整用のバルブ１４が設置されている。
【００２０】
以上が燃料電池システムの基本的な構成であるが、前記構成を有する燃料電池システムは、前述の通り、燃料供給源１から供給される燃料と、圧縮機１０から供給される酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池３において、アノード４で未使用の燃料は、再度供給燃料と混合して循環するように、循環路８を有している。そして、アノード４の圧力は、燃料供給量によってコントロールされ、アノード４内に蓄積する不純物ガス濃度を一定量以下に保つように、パージ用バルブ９の開閉操作によりパージが行われる。カソード５の圧力は、モータ１１によって駆動される圧縮機１０と、下流に設けられたバルブ１４によってコントロールされる。
【００２１】
以上のような構成を有する燃料電池システムにおいては、燃料ガスを循環するための手段が必要である。ただし、循環手段として通常のポンプ等を用いたのでは、その駆動のために燃料電池３で発電される電力の一部を使用する必要が生じ、効率的ではない。そこで、本実施形態では、燃料ガスを循環するための動力源として酸化剤排ガスが持つエネルギーを利用する。具体的には、圧縮機２１と膨張機２２とを備えた循環装置２０を循環路８内に設置し、カソード５から排出される酸化剤排ガスのエネルギーを膨張機２２によって軸動力として取り出し、圧縮機２１を回転駆動するのに利用する。
【００２２】
循環装置２０の構造としては、例えば図２（ａ）に示すように、圧縮機２１と膨張機２２とを備えており、これらが機械的に接続されていればよい。本例の場合、圧縮機２１の回転軸２１ａと膨張機２２の回転軸２２ａとがカップリング２３によって機械的に接続されており、膨張機２２の回転軸２２ａの回転が圧縮機２１の回転軸２１ａに伝達されるようになっている。
【００２３】
前記構造の循環装置２０においては、燃料である水素の分子量が小さく、軸シールが困難であるので、外部への水素漏れを防ぐためには、図２（ｂ）に示すように、圧縮機２１と膨張機２２を一体構造とすることが好ましい。また、膨張機２２から漏れた酸化剤排ガスが圧縮機２１に入り込むことによる発電効率低下等の悪影響を避けるために、圧縮機２１の低圧部と膨張機２２の高圧部を離し、圧縮機２１の高圧部と膨張機２２の低圧部が近づくように配置するのがよい。具体的には、図２（ａ）に示すように、圧縮機２１においては、アノードから排出された燃料排ガスを圧縮機２１の膨張機２２に近い位置に導入し、膨張機２２から離れた位置から排出するようにする。膨張機２２においては、カソード５から排出された酸化剤排ガスを膨張機２２の圧縮機２１から離れた位置に導入し、圧縮機２１に近い位置から排出するようにする。
【００２４】
前述の構成を有する本実施形態の燃料電池システムによれば、動力源としてカソード５からの酸化剤排ガスのエネルギーを利用し、膨張機２２により軸動力に変換して循環装置２０を駆動するようにしているので、高圧燃料ガスを用いない燃料電池システムにおいても、燃料電池により発電した電力を使わずに循環装置２０を駆動することができる。また、循環装置２０において、圧縮機２１と膨張機２２とを一体化することで、軸シールが困難な水素ガス（燃料ガス）を外部に流出させることなく、膨張機２２の駆動力を圧縮機２１で利用することが可能である。さらに、循環装置２０において、膨張機２２の高圧部と圧縮機２１の低圧部が近接しないように設計することで、燃料排ガスが酸化剤排ガス中に混入することはあっても、酸化剤排ガスが燃料排ガス中に混入することはなく、発電効率の低下や燃料電池の劣化を防止することができる。
【実施例２】
【００２５】
本実施形態の燃料電池システムの構成を図３に示す。なお、燃料電池システムの基本的な構成は、先の第１の実施形態の場合と同様であるので、同一の構成要素に同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００２６】
本実施形態の燃料電池システムでは、図３に示すように、循環装置２０において、圧縮機２１と膨張機２２の間にパージ路２４が設けられ、このパージ路２４にパージ用バルブ９が設置されている。したがって、パージ用バルブ９を開放すると、圧縮機２１中の燃料排ガスが膨張機２２内に導入され、酸化剤排ガスとともに外部に排出される。
【００２７】
本実施形態の燃料電池システムでは、前記のようなアノード４から排出される燃料排ガスをカソード５から排出される酸化剤排ガス中へ意図的に逃がす機能により、燃料排ガスを膨張機２２の内部や膨張直後の乱流の中で酸化剤排ガスによって十分に拡散希釈することが可能である。その結果、燃料排ガスを可燃限界以下の濃度で大気中に排出することが可能である。
【実施例３】
【００２８】
本実施形態の燃料電池システムの構成を図４に示す。なお、本実施形態の燃料電池システムにおいても、基本的構成は先の第１の実施形態の場合と同様であるので、同一の構成要素に同一の符号を付し、ここではその説明は省略する。
【００２９】
本実施形態の燃料電池システムでは、図４に示すように、循環装置２０を構成する膨張機２２に近接して補助モータ２５が設けられている。補助モータ２５は、例えば圧縮機２１と膨張機２２の間、若しくは膨張機２２の外側位置に設置する。
【００３０】
この補助モータ２５は、膨張機２２の回生動力が不足するような燃料電池３の運転条件において、圧縮機２１を駆動する動力を補う役割を果たす。また、膨張機２２の回生動力が余剰となる運転条件においては、補助モータ２５で発電を行うことで、エネルギーを回収することができる。
【００３１】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、運転条件によらず燃料排ガスを循環路８において円滑に循環することができる。また、余剰な回生エネルギーが発生した場合、これを回収することができ、より一層の効率化を図ることが可能である。
【実施例４】
【００３２】
本実施形態の燃料電池システムの構成を図５に示す。本実施形態の燃料電池システムにおいても、基本的構成は先の第１の実施形態の場合と同様であるので、同一の構成要素に同一の符号を付して、ここではその説明は省略する。
【００３３】
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池３の燃料排ガス排気管７と循環路８の間に、循環装置２０と並列に補助ポンプ２６が設置されている。なお、この補助ポンプ２６は、循環装置２０と直列に接続することも可能である。補助ポンプ２６は、膨張機２２の回生動力が不足するような燃料電池３の運転条件において、不足する循環流量を補う機能を有する。
【００３４】
本実施形態の燃料電池システムによれば、膨張機２２の回生動力が不足するような燃料電池３の運転条件において、不足する循環流量を補うことができ、運転条件によらず燃料排ガスを循環路８において円滑に循環することができる。
【実施例５】
【００３５】
本実施形態の燃料電池システムの構成を図６に示す。本実施形態の燃料電池システムにおいても、基本的構成は先の第１の実施形態の場合と同様であるので、同一の構成要素に同一の符号を付して、ここではその説明は省略する。
【００３６】
本実施形態の燃料電池システムでは、図６に示すように、酸化剤排ガス排気管１３に循環装置２０の膨張機２２を迂回するバイパス流路２７が設けられており、このバイパス流路２７にバルブ２８が設けられている。このバイパス流路２７やバルブ２８は、燃料排ガスの循環流量やカソード５の圧力を制御するものである。例えば、基本的に、カソード５から排出される酸化剤排ガスのエネルギーに応じて燃料排ガスの循環流量が決定されるので、要求循環流量に対して酸化剤排ガスのエネルギーが過剰な場合には、前記バルブ２８の開閉度合いを制御し、酸化剤排ガスの一部を膨張機２２を通さずに排気することで、要求循環量に合わせることができる。
【００３７】
本実施形態の燃料電池システムによれば、膨張機２２を迂回するバイパス流路２７を備えているので、過剰な循環流量の発生を防止でき、酸化剤ガス供給装置２のモータ１１や膨張機２２の過回転を防止できる。また、バイパス流路２７において、バルブ２８の開度をコントロールすれば、適切な循環流量に制御することも可能である。
【００３８】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】循環装置の一例を示すものであり、（ａ）は循環装置の概略構造を示す図、（ｂ）は一体構造とした状態を示す図である。
【図３】第２の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図４】第３の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図５】第４の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図６】第５の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：燃料供給源
２：酸化剤ガス供給装置
３：燃料電池
４：アノード
５：カソード
６：燃料ガス供給ライン
７：燃料排ガス排気管
８：循環路
９：パージ用バルブ
１０：圧縮機
１１：モータ
１２：酸化剤ガス供給配管
１３：酸化剤排ガス排気管
１４：バルブ
２０：循環装置
２１：圧縮機
２２：膨張機
２３：カップリング
２４：パージ路
２５：補助モータ
２６：補助ポンプ
２７：バイパス流路
２８：バルブ
【図１】
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【図２】
2006156283.tif 000004
【図３】
2006156283.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006156283.tif 000007
【図６】
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