(57)【要約】【課題】循環経路に蓄積される不純物を可能な限り選択的に排出して無駄に排出される水素量を最小限にし、不純物濃度上昇による発電効率の低下を抑制しながら燃費の向上を実現できるようにする。【解決手段】燃料電池１から排出されるアノード排ガスを循環させる水素循環方式の燃料電池システムにおいて、アノード排ガスが流れる循環経路５に電気化学的水素ポンプ６を設置する。電気化学的水素ポンプ６は、電解質膜を挟んで入口極と出口極とが対設されてなるポンプセルが複数積層された構成とされ、各ポンプセルには、入口極側にアノード排ガス導入口及びアノード排ガス排出口、出口極側に水素排出口が各々設けられ、各ポンプセルの入口極側のアノード排ガス排出口を集合させたアノード排ガス排出集合部が形成される。この電気化学的水素ポンプ６のアノード排ガス排出集合部の出口に、アノード排ガスを循環経路５の外部に排出するための開閉弁７を接続する。【選択図】図１
2006019122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノード出口から排出されたアノード排ガスをアノード入口側へと循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムにおいて、
前記アノード排ガスが流れる循環経路に、電解質膜を挟んで入口極と出口極とが対設されてなるポンプセルが複数積層されて構成され、前記各ポンプセルの電解質膜に電流を流すことで入口極に供給されたアノード排ガス中の水素を選択的に出口極へと移動させる電気化学的水素ポンプが設置されていると共に、
前記電気化学的水素ポンプの各ポンプセルには、入口極側にアノード排ガス導入口及びアノード排ガス排出口、出口極側に水素排出口が各々設けられ、各ポンプセルの入口極側のアノード排ガス排出口を集合させたアノード排ガス排出集合部が形成され、当該アノード排ガス排出集合部の出口に、アノード排ガスを前記循環経路の外部に排出するための排出手段が接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電気化学的水素ポンプの各ポンプセルにおける入口極側には、前記アノード排ガス導入口からアノード排ガス排出口に亘ってアノード排ガスが流れるガス流路部が形成されていると共に、前記入口極側のアノード排ガス排出口が、前記ガス流路部の重力方向における最下部近傍に設けられてい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】
前記電気化学的水素ポンプの各ポンプセルにおける入口極側のアノード排ガス導入口が、前記ガス流路部の重力方向における最上部近傍に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電気化学的水素ポンプの各ポンプセルにおける出口極側の水素排出口を集合させた水素排出集合部が形成され、当該水素排出集合部の出口に、各ポンプセルの出口極側に蓄積される水分を前記循環経路の外部に排出するための排水手段が接続されてい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５】
前記電気化学的水素ポンプの各ポンプセルにおける出口極側には、前記入口極側から移動してきた水素が流れる水素流路部が形成されていると共に、前記出口極側の水素排出口が前記水素流路部の重力方向における最下部近傍に設けられていることを特徴とする請求項４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、燃料電池のアノード出口から排出されたアノード排ガスをアノード入口側へと循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極（アノード）に水素を含む燃料ガス、酸化剤極（カソード）に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給し、これら燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを燃料電池内において電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、燃料電池内部のガス入口側から出口側に亘る全ての領域で均等に電気化学反応を生じさせて効率の良い発電を行わせるために、燃料電池のアノードには、要求される発電量に見合う水素量よりも多目の水素を供給するのが一般的である。このとき、燃料電池のアノードから排出されるガスには、発電に使用されなかった未使用の水素が多く含まれており、このアノード排ガスをそのまま外部に排出したのでは水素の利用効率が悪く、燃費の低下に繋がることになる。そこで、従来より、燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを循環させて再利用することで、水素の利用効率を高めるようにした水素循環方式の燃料電池システムが提案されている。
【０００４】
ところで、水素循環方式の燃料電池システムにおいては、アノード排ガスの循環を繰り返す中で、燃料電池のカソードからアノード側へと透過してきた窒素や、燃料ガス中に含まれる不純物等が徐々に蓄積されていき、水素分圧低下によって燃料電池の発電効率が低下していくことが知られている。そこで、このような燃料電池の発電効率低下を防止するために、水素循環方式の燃料電池システムでは、アノード排ガスが流れる循環経路に開閉弁を接続し、この開閉弁を周期的に開閉させて不純物が蓄積されたアノード排ガスを循環経路の外部に排出することで、不純物濃度の上昇を抑えることが一般的に行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−１５１５９２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、前記特許文献１に記載されている燃料電池システムをはじめ、従来の水素循環方式の燃料電池システムでは、開閉弁を開いて不純物を外部に排出する際に、同時に燃料となる水素も多く排出してしまっており、燃費向上の観点からも、更なる改善が望まれている。
【０００６】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、循環経路に蓄積される不純物を可能な限り選択的に排出して無駄に排出される水素量を最小限にし、不純物濃度上昇による発電効率の低下を抑制しながら燃費の向上を実現することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【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、燃料電池のアノード出口から排出されたアノード排ガスをアノード入口側へと循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムである。このような水素循環方式の燃料電池システムにおいて、本発明では、前記目的を達成するために、アノード排ガスが流れる循環経路に電気化学的水素ポンプを設置するようにしている。電気化学的水素ポンプは、電解質膜を挟んで入口極と出口極とが対設されてなるポンプセルが複数積層されて構成され、各ポンプセルの電解質膜に電流を流すことで入口極に供給されたアノード排ガス中の水素を選択的に出口極へと移動させるものである。この電気化学的水素ポンプの各ポンプセルには、入口極側にアノード排ガス導入口及びアノード排ガス排出口、出口極側に水素排出口が各々設けられ、各ポンプセルの入口極側のアノード排ガス排出口を集合させてアノード排ガス排出集合部が形成されている。そして、本発明では、この電気化学的水素ポンプのアノード排ガス排出集合部の出口に、アノード排ガスを循環経路の外部に排出させるための排出手段を接続するようにしている。
【０００８】
本発明の燃料電池システムでは、循環経路に設置された電気化学的水素ポンプによって、循環経路を流れるアノード排ガス中の水素が選択的に取り出されてアノード入口側へと循環されるので、燃料電池のアノード入口には、不純物濃度の低い燃料ガスが供給されることになる。また、アノード排ガス中の不純物は電気化学的水素ポンプを構成する各ポンプセルの入口極側に蓄積されてくるので、不純物濃度が高まったときに、電気化学的水素ポンプのアノード排ガス排出集合部の出口に接続された排出手段を操作することによって、不純物を選択的に循環経路の外部に排出することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムによれば、アノード排ガスが流れる循環経路に蓄積される不純物を選択的に循環経路の外部に排出できるので、不純物濃度上昇による発電効率の低下を有効に抑制しながら燃費の向上を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示すものである。この燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池１に供給して燃料電池１内部での電気化学反応により発電電力を得るものであり、主に、発電を行う燃料電池１と、この燃料電池１に燃料ガスである水素を供給する水素供給系、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系、燃料電池１の温度調整のための冷却系とを備えている。
【００１２】
燃料電池１は、水素が供給される燃料極（アノード）１ａと、空気が供給される空気極（カソード）１ｂとが電解質を挟んで重ね合わされて構成される発電セルを主要な構成要素とするものであり、例えば、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造とされている。
【００１３】
燃料電池１の各発電セルは、水素供給系から供給される水素と空気供給系から供給される空気中の酸素とによる電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換する。すなわち、各発電セルのアノード１ａでは、水素供給手段から水素が供給されることで水素イオンと電子とに解離する反応が起き、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１ｂ側にそれぞれ移動する。一方、カソード１ｂでは、空気供給系から供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１４】
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、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】
水素供給系は、燃料電池１の各発電セルのアノード１ａに燃料ガスである水素を供給するためのものであり、例えば、水素供給源としての水素タンク２を備え、この水素タンク２から取り出した水素を水素調圧弁３で所望の圧力に調整し、水素供給経路４を通して燃料電池１のアノード１ａへと供給する。また、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１のアノード１ａ出口から排出されるアノード排ガスをアノード１ａ入口側へと循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムとして構成されており、燃料電池１のアノード１ａ出口側とアノード１ａ入口側の水素供給経路４とを繋ぐように、アノード排ガスが流れる循環経路５が接続されている。そして、特に、本実施形態の燃料電池システムでは、このアノード排ガスが流れる循環経路５に、従来一般的に用いられていた機械的な水素ポンプに代えて電気化学的水素ポンプ６が設置され、また、電気化学的水素ポンプ６の入口極側に開閉弁７が接続されている。なお、電気化学的水素ポンプ６の具体的な構造については、詳細を後述する。
【００１６】
空気供給系は、燃料電池１の各発電セルのカソード１ｂに酸化剤ガスである空気を供給するためのものであり、例えば、空気供給源としてのエアコンプレッサ８を備え、このエアコンプレッサ８で外気をで吸入して空気供給経路９を通して燃料電池スタック１のカソード１ｂへと供給する。また、燃料電池スタック１のカソード１ｂ出口側には空気排気経路１０が接続され、燃料電池スタック１のカソード１ｂで消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、この空気排気経路１０から排出される。また、空気排気経路１０には空気調圧弁１１が設けられており、この空気調圧弁１１によって燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給される空気の圧力が調整される。
【００１７】
冷却系は、燃料電池１の作動温度が最適温度となるように燃料電池１の温度調整を行うためのものであり、冷却液ポンプ１２の駆動によって、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を冷却液循環経路１３内で循環させ、燃料電池１に供給する構成となっている。冷却液循環経路１３にはラジエータ１４が設置されており、燃料電池１の熱を吸熱して高温の状態で燃料電池１から排出された冷却液は、このラジエータ１４を通過する過程で放熱し、冷却される。
【００１８】
以上が本実施形態の燃料電池システムの基本的な構成であるが、次に、本実施形態の燃料電池システムにおいて特徴的な循環経路５に設置された電気化学的水素ポンプ６の詳細について説明する。
【００１９】
電気化学的水素ポンプ６は、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型の燃料電池１と同様の構造を有するものであり、図２に模式的に示すように、固体高分子電解質膜を挟んで入口極６ａと出口極６ｂとが対設されたポンプセルを主要な構成要素とし、複数のポンプセルが多段積層されたスタック構造とされている。そして、この電気化学的水素ポンプ６は、各ポンプセルの入口極６ａ側が燃料電池１のアノード１ａ出口側、各ポンプセルの出口極６ｂ側が燃料電池１のアノード１ａの入口側に繋がるように循環経路５中に設置され、その入口極６ａ側に開閉弁７が接続されている。
【００２０】
電気化学的水素ポンプ６の各ポンプセルでは、駆動回路１５の作動により固体高分子電解質膜に電流が流されることで、入口極６ａ側に供給されるアノード排ガス中の水素を選択的に固体高分子膜を透過させて出口極６ｂ側へと移動させる。すなわち、各ポンプセルの入口極６ａ側では、供給されたアノード排ガス中の水素が水素イオンと電子とに解離する反応が起き、水素イオンは固体高分子電解質膜を通過し、電子は駆動回路１５によってポンプ外部を流され、それぞれ出口極６ｂ側へと移動する。そして、出口極６ｂ側で、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンと駆動回路１５によりポンプ外部を流された電子とが結合して水素が生成され、出口極６ｂから循環経路５に排出される。
【００２１】
以上のように、電気化学的水素ポンプ６は、アノード排ガス中の水素を選択的に取り出して燃料電池１のアノード１ａ入口側へと送る機能を有しており、この電気化学的水素ポンプ６により取り出された水素は、水素供給経路４と循環経路５とが合流する位置にて水素タンク２から新たに取り出された水素と混合されて、燃料電池１のアノード１ａに供給される。したがって、循環経路５に電気化学的水素ポンプ６を設置して、この電気化学的水素ポンプ６の動作によりアノード排ガスを循環させる構成とすることによって、従来一般的に用いられていた機械的な水素ポンプでアノード排ガスを循環させる場合に比べて、燃料電池１のアノード１ａ入口には、水素濃度の高い、すなわち不純物濃度の低い燃料ガスが供給されることになる。
【００２２】
次に、以上のような本実施形態の燃料電池システムで用いられる電気化学的水素ポンプ６の具体的な構造について、図３乃至図５を参照して更に詳しく説明する。なお、図３は電気化学的水素ポンプ６の内部構造を示す分解斜視図であり、図４は電気化学的水素ポンプ６を構成するポンプセルの入口極６ａ側流路形状を図３中の矢印Ａ方向から見た平面図、図５はポンプセルの出口極６ｂ側流路形状を図３中の矢印Ｂ方向から見た平面図である。
【００２３】
電気化学的水素ポンプ６の一単位であるポンプセルは、固体高分子型の燃料電池１の一単位である発電セルと同様の構成を有しており、固体高分子電解質膜の両側に入口極６ａや出口極６ｂとなる触媒層やガス拡散層が形成されてなる膜−電極接合体を、一対のセパレータ２１で挟持した構造となっている。そして、図３に示すように、このような構造のポンプセルが多数積層され、その積層両端部に一対のエンドプレート２２が配置されて、スタック構造の電気化学的水素ポンプ６とされている。
【００２４】
各ポンプセル間の隔壁をなす各セパレータ２１には、図４に示すように、その入口極６ａ側の面に、当該入口極６ａ側に供給されたアノード排ガスが流れるガス流路部２３が形成されている。このガス流路部２３は、セパレータ２１表面に凹設された一体の溝で構成され、その中央部は複数のリブで区切られた平行流路形状とされている。また、各セパレータ２１の出口極６ｂ側の面には、図５に示すように、入口極６ａ側から当該出口極６ｂ側へと移動してきた水素が流れる水素流路部２４が形成されている。この水素流路部２４も、入口極６ａ側のガス流路部２３と同様、セパレータ２１表面に凹設された一体の溝で構成され、その中央部は複数のリブで区切られた平行流路形状とされている。なお、ガス流路部２３や水素流路部２４の流路形状は、以上のような平行流路形状に限らず様々な形状が適宜選択可能である。
【００２５】
更に、各セパレータ２１には、その厚み方向に貫通するように３つの貫通孔が形成されており、そのうちの１つが入口極６ａにアノード排ガスを導入するためのアノード排ガス導入口２５とされ、他の１つが入口極６ａからアノード排ガスをポンプ外部に排出するためのアノード排ガス排出口２６とされ、残りの１つが入口極６ａから出口極６ｂへと移動してきた水素を出口極６ｂからポンプ外部に排出するための水素排出口２７とされている。
【００２６】
アノード排ガス導入口２５及びアノード排ガス排出口２６は、図４に示すように、入口極６ａ側のガス流路部２３内にて開口するように設けられており、特に、アノード排ガス導入口２５がガス流路部２３の重力方向における最上部近傍にて開口し、アノード排ガス排出口２６がガス流路部２３の重力方向における最下部近傍にて開口するように設けられている。また、水素排出口２７は、図５に示すように、出口極６ｂ側の水素流路部２４内の重力方向における最下部近傍にて開口するように設けられている。
【００２７】
各セパレータ２１に形成されたこれらのアノード排ガス導入口２５、アノード排ガス排出口２６、水素排出口２７は、各ポンプセルが積層されてスタック構造の電気化学的水素ポンプ６とされたときにそれぞれ重ね合わされて、一体のマニホールドを形成する。そして、これらのマニホールドと連通する貫通孔２８，２９，３０が一対のエンドプレート２２のうちの一方に形成され、電気化学的水素ポンプ６へのガスの出入口とされている。
【００２８】
以上のように構成される電気化学的水素ポンプ６では、エンドプレート２２に設けられた貫通孔２８からポンプ内にアノード排ガスが供給され、このアノード排ガスがセパレータ２１に設けられたアノード排ガス導入口２５を通じて各ポンプセルの入口極６ａ側のガス流路部２３へと導入される。入口極６ａ側のガス流路部２３に導入されたアノード排ガスは、このガス流路部２３をアノード排ガス排出口２６側へと流れる過程で水素が取り出され、取り出された水素は出口極６ｂ側へと移動し、残ったアノード排ガスはアノード排ガス排出口２６へと導かれる。
【００２９】
入口極６ａ側から出口極６ｂ側へと移動した水素は、出口極６ｂ側の水素流路部２４を流れて水素排出口２７へと導かれ、各ポンプセルの水素排出口２７が重ね合わされて形成されるマニホールドに流れ込んでここで集合され、エンドプレート２２に設けられた貫通孔３０からポンプ外部に排出される。そして、この水素が循環経路５を流れ、水素供給経路４と循環経路５とが合流する位置にて水素タンク２から新たに取り出された水素と混合されて、燃料電池１のアノード１ａに供給されることになる。
【００３０】
また、各ポンプセルの入口極６ａ側のガス流路部２３を通過する過程で水素が取り出され、残ったアノード排ガスは、各ポンプセルのアノード排ガス排出口２６が重ね合わされて形成されるマニホールド（アノード排ガス排出集合部）に流れ込んでここで集合され、エンドプレート２２に設けられた貫通孔２９からポンプ外部に排出されることになる。そして、本実施形態の燃料電池システムでは、このアノード排ガス排出集合部の出口となる貫通孔２９の開口部に直接、或いはこの貫通孔２９に接続された配管に、アノード排ガスを循環経路５の外部に排出するための開閉弁７が設置されている。
【００３１】
開閉弁７を閉じた状態で燃料電池システムの運転を継続させると、燃料電池１のカソード１ｂからアノード１ａ側へと透過してきた窒素や、燃料ガス中に含まれる不純物等が水素供給系内に徐々に蓄積されていく。このとき、本実施形態の燃料電池システムでは、電気化学的水素ポンプ６によりアノード排ガス中の水素を選択的に取り出して循環させるようにしているので、窒素等の不純物は、電気化学的水素ポンプ６の入口極６ａ側に蓄積されていくことになる。
【００３２】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、電気化学的水素ポンプ６の入口極６ａ側に不純物が蓄積されて十分に濃縮される時間を予め実験的に求めておき、不純物が十分に濃縮されたタイミングで、電気化学的水素ポンプ６の入口極６ａ側に接続した開閉弁７を開放すると共に、所定時間経過後に開閉弁７を閉じる動作を繰り返し行うようにしている。これにより、水素供給系中の不純物を選択的に循環経路５の外部に排出することが可能となり、無駄に排出する水素量を極力低減することができる。
【００３３】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、電気化学的水素ポンプ６によりアノード排ガス中の水素を選択的に取り出して燃料電池１のアノード１ａ側へと循環させ、また、電気化学的水素ポンプ６の入口極６ａ側に蓄積された不純物が十分に濃縮されたタイミングで開閉弁７を開放し、不純物を選択的に排出させるようにしているので、不純物濃度上昇による発電効率の低下を有効に抑制しながら、燃費の向上を実現することができる。
【００３４】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、電気化学的水素ポンプ６によりアノード排ガス中の水素を選択的に取り出して燃料電池１のアノード１ａ側へと循環させることにより、燃料電池１のアノード１ａ入口には、水素濃度の高い、すなわち不純物濃度の低い燃料ガスが供給されるので、燃料電池１の発電効率を向上させることができ、システム効率の更なる向上を図ることができる。
【００３５】
また、燃料電池１のアノード１ａ出口から排出されるアノード排ガス中には、多量の水蒸気が含まれており、このアノード排ガス中の水蒸気が凝縮して液水となった場合には、これを回収して循環経路５の外部に排水することが望まれる。ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、循環経路５に設置した電気化学的水素ポンプ６の各ポンプセルのアノード排ガス排出口２６がガス流路部２３の重力方向における最下部近傍にて開口するように設けられているので、アノード排ガス中の水蒸気が凝縮して生じる液水は、これら各ポンプセルのアノード排ガス排出口２６が重ね合わされて形成されるマニホールド（アノード排ガス排出集合部）内に導かれることになる。そして、このマニホールドの出口となる貫通孔２９に開閉弁７が接続されているので、この開閉弁７を開放して窒素等の不純物を排出する際に、同時に液水も循環経路５の外部に排水することが可能となる。
【００３６】
また、各ポンプセルのアノード排ガス排出口２６をガス流路部２３の重力方向における最下部近傍にて開口するように設けたことと合わせて、アノード排ガス導入口２５はガス流路２３の重力方向における最上部近傍にて開口するように設けられているので、各ポンプセルの入口極６ａ側に導入されるアノード排ガスが、アノード排ガス導入口２５からアノード排ガス排出口２６に向かってガス流路部２３のほぼ全域を流れることになり、水素の取り出しを効率良く行うことが可能となる。
【００３７】
なお、以上説明した例では、開閉弁７の開閉を予め設定した時間間隔で周期的に行うようにしているが、開閉弁７の開閉は、以上の例に限らず、様々な方法が適用可能である。例えば、電気化学的水素ポンプ６への印加電圧の変化からアノード排ガス中の不純物濃度を推定し、これに応じて開閉弁７の開閉を制御するようにしてもよい。すなわち、電気化学的水素ポンプ６に所望の電流を流すために必要な印加電圧は、アノード排ガスの水素分圧が小さいほど高くなる傾向にあるので、この特性を利用して、電気化学的水素ポンプ６への印加電圧を電圧センサでモニタリングし、電気化学的水素ポンプ６への印加電圧が運転条件に応じて定まる第１の所定値を越えたらアノード排ガスの不純物濃度が高まったと判断して開閉弁７を閉から開に切り替え、その後、電気化学的水素ポンプ６への印加電圧が第１の所定値よりも小さい第２の所定値を下回ったら不純物濃度が十分に低下したと判断して、開閉弁７を開から閉に切り替えるようにしてもよい。
【００３８】
また、以上説明した例では、循環経路５からのアノード排ガスの排出を開閉弁７の開閉により制御するようにしているが、開閉弁７に代えて可変絞り弁を設け、この可変絞り弁の開度調整によりアノード排ガスの排出を制御するようにしてもよい。この場合には、例えば電気化学的水素ポンプ６への印加電圧を電圧センサでモニタリングし、この電気化学的水素ポンプ６への印加電圧が運転条件に応じて定まる所定値に維持されるように、可変絞り弁の開度を調整すればよい。
【００３９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態と同様とし、電気化学的水素ポンプ６の出口極６ｂ側に蓄積される水分を循環経路５の外部に排出するための排水手段を付加した点に特徴を有するものである。以下、第１の実施形態と同様の部分についての重複した説明は省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。
【００４０】
電気化学的水素ポンプ６は、上述したように飽和含水することでイオン伝導体として機能する固体高分子電解質膜を用いて水素のポンピングを行う構成であるため、入口極６ａ側から出口極６ｂ側への水素の移動に伴って水分も出口極６ｂ側へと移動する傾向にある。そして、この水分が出口極６ｂ側で凝縮し液水となって出口極６ｂ側に過度に蓄積されると、水詰まりが生じて電気化学的水素ポンプ６のポンプ効率を低下させる要因となるので、電気化学的水素ポンプ６の出口極６ｂ側に蓄積される液水は、速やかにポンプ外部に排出し、更に循環経路５の外部に排水することが望まれる。
【００４１】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、図６に示すように、電気化学的水素ポンプ６後段の循環経路５に、液水をトラップする液水タンク３１と排水弁３２とを接続している。また、電気化学的水素ポンプ６の具体的な構造は上述した第１の実施形態と同様であり、各ポンプセルの水素排出口２７は、図５に示すように、入口極６ａ側から当該出口極６ｂ側へと移動してきた水素が流れる水素流路部２４の重力方向における最下部近傍にて開口するように設けられている。
【００４２】
本実施形態の燃料電池システムでは、電気化学的水素ポンプ６の各ポンプセルの水素排出口２７が水素流路部２４の重力方向における最下部近傍にて開口しているので、出口極６ｂ側の液水は、各ポンプセルの水素排出口２７が重ね合わされて形成されるマニホールドを通じて速やかにポンプ外部に排出されることになる。そして、ポンプ外部に排出された液水は、電気化学的水素ポンプ６後段の循環経路５に接続された液水タンク３１に導かれてここに貯留され、排水弁３２を開くことによって、循環経路５の外部に排水されることになる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、上述した第１の実施形態の構成に加えて、電気化学的水素ポンプ６後段の循環経路５に液水タンク３１及び排水弁３２を接続し、電気化学的水素ポンプ６の出口極６ｂ側に蓄積される水分を速やかに循環経路５の外部に排出できるようにしているので、第１の実施形態の効果、すなわち不純物濃度上昇による発電効率の低下を有効に抑制しながら燃費の向上を実現できるという効果に加えて、電気化学的水素ポンプ６の出口極６ｂ側の水詰まりに起因するポンプ効率の低下を有効に抑制できるという効果も得ることができ、システム効率を更に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明を適用した第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】電気化学的水素ポンプの各ポンプセルの構造を示す模式図である。
【図３】電気化学的水素ポンプの内部構造を示す分解斜視図である。
【図４】電気化学的水素ポンプを構成するポンプセルの入口極側流路形状を示す図であり、各ポンプセル間の隔壁となるセパレータ表面の様子を図３中の矢印Ａ方向から見た平面図である。
【図５】電気化学的水素ポンプを構成するポンプセルの出口極側流路形状を示す図であり、各ポンプセル間の隔壁となるセパレータ表面の様子を図３中の矢印Ｂ方向から見た平面図である。
【図６】本発明を適用した第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。
【符号の説明】
【００４５】
１  燃料電池
１ａ  アノード
１ｂ  カソード
５  循環経路
６  電気化学的水素ポンプ
６ａ  入口極
６ｂ  出口極
７  開閉弁
２１  セパレータ
２３  ガス流路部
２４  水素流路部
２５  アノード排ガス導入口
２６  アノード排ガス排出口
２７  水素排出口
３１  液水タンク
３２  排水弁
【図１】
2006019122.tif 000003
【図２】
2006019122.tif 000004
【図３】
2006019122.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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