(57)【要約】【課題】システム外に排出される水素量を低減することが可能な燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１０は、水素ガスを貯蔵する水素タンク１２と、水素ガスを燃料とする燃料電池１４と、水素タンク１２から燃料電池１４のアノード流路に水素ガスを供給するための水素ライン３０と、アノード流路の出口から排出されるアノードオフガスをアノード流路の入口に戻す水素循環ライン４０と、水素循環ライン４０上に設けられた、アノードオフガスから水蒸気を除去するための気液分離器１６と、アノード流路の出口と気液分離器１６の入口との間にある水素循環ライン４０に対して並列に接続されたバイパス水素ライン５０と、バイパス水素ライン５０上に設けられた、アノードオフガスから水素ガスを回収するための水素回収器１８と、燃料電池システム１０の動作を制御する制御装置とを備えている。【選択図】図１
2019102283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備えた燃料電池システム。
（１）前記燃料電池システムは、
水素ガスを貯蔵する水素タンクと、
前記水素ガスを燃料とする燃料電池と、
前記水素タンクから前記燃料電池のアノード流路に前記水素ガスを供給するための水素ラインと、
前記アノード流路の出口から排出されるアノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻す水素循環ラインと、
前記水素循環ライン上に設けられた、前記アノードオフガスから水蒸気を分離するための気液分離器と、
前記アノード流路の出口と前記気液分離器の入口との間にある前記水素循環ラインに対して並列に接続されたバイパス水素ラインと、
前記バイパス水素ライン上に設けられた、前記アノードオフガスから水素ガスを回収するための水素回収器と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御装置と
を備えている。
（２）前記制御装置は、
（ａ）定常運転時において、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを前記気液分離器に供給し、前記気液分離器で処理された前記アノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻す定常運転制御手段と、
（ｂ）前記アノードオフガスに含まれる不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを、前記バイパス水素ラインを介して前記水素回収器に供給し、前記水素回収器で処理された前記アノードオフガスを前記気液分離器を介して大気に排出する水素回収手段と、
を備えている。
【請求項２】
前記制御装置は、
（ｃ）前記水素回収手段を実行した後、前記不純物濃度が前記しきい値未満となったと判断された時に、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを前記気液分離器に供給し、前記気液分離器で処理された前記アノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻すと同時に、前記水素回収器から前記水素ガスを放出し、放出された前記水素ガスを前記アノードオフガスに添加する再生手段
をさらに備えている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素回収器又は前記燃料電池を冷却するための冷却装置と
冷却水を前記燃料電池と前記水素回収器との間で循環させる第１熱交換ラインと、
前記冷却水を前記水素回収器と前記冷却装置との間、又は、前記燃料電池と前記冷却装置との間で循環させる第２熱交換ラインと、
前記燃料電池の冷却流路の出口から排出された冷却水をそのまま前記燃料電池の前記冷却流路の入口に戻すためのバイパス冷却水ラインと
をさらに備えている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記定常運転制御手段は、
定常運転時において、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを前記気液分離器に供給し、前記気液分離器で処理された前記アノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻し、さらに、
前記燃料電池の冷却流路の出口から排出された前記冷却水を、前記バイパス冷却水ラインを介して前記燃料電池の前記冷却流路の入口に戻すものからなる
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素回収手段は、
前記アノードオフガスに含まれる不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを、前記バイパス水素ラインを介して前記水素回収器に供給し、前記水素回収器で処理された前記アノードオフガスを前記気液分離器を介して大気に排出し、さらに、
前記燃料電池の冷却流路の出口から排出された前記冷却水を前記バイパス冷却水ラインを介して前記冷却流路の入口に戻し、かつ、前記第２熱交換ラインを介して前記水素回収器と前記冷却装置との間で前記冷却水を循環させるものからなる
請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記再生手段は、
前記水素回収手段を実行した後、前記不純物濃度が前記しきい値未満となったと判断された時に、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを前記気液分離器に供給し、前記気液分離器で処理された前記アノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻すと同時に、前記水素回収器から前記水素ガスを放出し、放出された前記水素ガスを前記アノードオフガスに添加し、さらに、
前記第１熱交換ラインを介して前記燃料電池と前記水素回収器との間で前記冷却水を循環させるものからなる
請求項３から５までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素回収器は、その内部に水素貯蔵材料が内封されているＭＨタンクからなる請求項１から６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水素貯蔵材料は、その表面が水素透過膜で被覆されている請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記バイパス水素ラインの圧力を検出するための圧力検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記水素回収手段を実行する際に、前記圧力検出器で検出された前記バイパス水素ラインの圧力に基づいて、前記アノードオフガスの排出及び停止、又は、前記アノードオフガスの大気への排出量を制御する排出量制御手段をさらに備えている請求項１から８までのいずれか１項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、燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、システム外に排出される水素量を低減することが可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を燃料とする燃料電池においては、アノードに水素ガスを連続的に又は間欠的に供給しながら発電が行われる。この場合、アノードに供給された水素ガスがすべて発電に消費されるわけではなく、未反応の水素ガスがそのままアノードから排出される。そのため、燃料電池外に排出される未反応の水素量を低減するために、アノードオフガスを再循環させる方法が提案されている。
【０００３】
また、カソードにおいては、電極反応により水が生成する。生成水の一部は電解質膜を通ってアノード流路に排出されるため、アノードオフガスには、未反応の水素ガスに加えて、水蒸気が含まれる。水蒸気を含んだアノードオフガスをそのまま再循環させると、アノードに供給される水素ガスの濃度が低下し、発電効率が低下する。そのため、アノードオフガスを再循環させる場合には、気液分離器を用いてアノードオフガスから水蒸気を分離することが行われている。
【０００４】
このようなアノードオフガスを再循環させる燃料電池システムに関し、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、
（ａ）アノードオフガスに含まれる水を気液分離器で分離し、水が分離されたアノードオフガスを循環ポンプを用いて燃料電池のアノードに還流させる手段と、
（ｂ）循環ポンプを停止させた後、循環ポンプの回転数が所定の回転数以下になった時に気液分離器の排気・排水弁を開き、気液分離器内に滞留している水を排出する停止時排水モードと
を備えた燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
同文献には、
（Ａ）循環ポンプを停止させた直後は、循環ポンプが通常運転時とほぼ同じ速度で回転しているため、循環ポンプの停止直後に排気・排水弁を開いても、還流配管内に滞留している水を排出できない点、
（Ｂ）循環ポンプの回転数が所定の回転数以下になった時に排気・排水弁を開くと、還流配管内に滞留している水を排出することができる点、及び
（Ｃ）排気・排水弁を開いた時に水と共に排出されるアノードオフガスには水素が含まれているため、水素を燃焼させて不活性化した後、不活性化したアノードオフガスを大気に放出する点
が記載されている。
【０００６】
特許文献２には、アノードオフガスに含まれる水を気液分離器で分離し、水が分離されたアノードオフガスを循環ポンプを用いて燃料電池のアノードに還流させる燃料電池システムに用いられる排気排水弁であって、
気液分離器から排出される生成水を流通させるための第１気液流通部の周囲を包囲するように、希釈装置に連通する第２気液流通部を形成した排気排水弁が開示されている。
【０００７】
同文献には、
（Ａ）第１気液流通部は第２気液流通部で包囲されているため、第１気液流通部から燃料ガスが漏れても、燃料ガスが直接外気に放出されることがない点、及び、
（Ｂ）排気排水弁を開いた時に排出される残存水素ガスは、希釈装置において空気により希釈された後、水と共に外部に放出される点
が記載されている。
【０００８】
さらに、特許文献３には、アノードオフガスに含まれる水を気液分離器で分離し、水が分離されたアノードオフガスを循環ポンプを用いて燃料電池のアノードに還流させる燃料電池システムにおいて、
燃料電池への水素ガスの供給を停止した場合において、燃料電池のセル電圧が所定の電圧値を上回る時には、水素供給を停止した状態で水素循環ポンプを稼働させる方法
が開示されている。
【０００９】
同文献には、
（Ａ）燃料電池が無負荷状態になると、燃料電池内に残留した水素及び酸素によって燃料電池が高電位状態となり、触媒の耐久性が低下する点、
（Ｂ）燃料電池が無負荷状態にある時に、水素供給を停止した状態で水素を再循環させると、残留している水素及び酸素が電気化学反応を起こし、燃料電池の電位が低下する点、及び、
（Ｃ）気液分離器から排出されるアノードオフガスは、空気を多く含むカソードオフガスによって希釈されて、外部に排出される点
が記載されている。
【００１０】
アノードオフガス循環式の燃料電池システムにおいては、気液分離器内に溜まった水を定期的に排出する必要がある。その際に、気液分離器から未反応の水素を含むアノードオフガスも排出される。気液分離器から排出されるアノードオフガスは、従来、燃焼又は希釈によって処理されている（特許文献１〜３参照）。しかしながら、この方法では、水素ガスの有効利用が十分ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−３３１６７４号公報
【特許文献２】特開２０１３−０９３２５６号公報
【特許文献３】特開２０１４−２３２７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、システム外に排出される水素量を低減することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記燃料電池システムは、
水素ガスを貯蔵する水素タンクと、
前記水素ガスを燃料とする燃料電池と、
前記水素タンクから前記燃料電池のアノード流路に前記水素ガスを供給するための水素ラインと、
前記アノード流路の出口から排出されるアノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻す水素循環ラインと、
前記水素循環ライン上に設けられた、前記アノードオフガスから水蒸気を分離するための気液分離器と、
前記アノード流路の出口と前記気液分離器の入口との間にある前記水素循環ラインに対して並列に接続されたバイパス水素ラインと、
前記バイパス水素ライン上に設けられた、前記アノードオフガスから水素ガスを回収するための水素回収器と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御装置と
を備えている。
（２）前記制御装置は、
（ａ）定常運転時において、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを前記気液分離器に供給し、前記気液分離器で処理された前記アノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻す定常運転制御手段と、
（ｂ）前記アノードオフガスに含まれる不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを、前記バイパス水素ラインを介して前記水素回収器に供給し、前記水素回収器で処理された前記アノードオフガスを前記気液分離器を介して大気に排出する水素回収手段と、
を備えている。
【００１４】
前記制御装置は、
（ｃ）前記水素回収手段を実行した後、前記不純物濃度が前記しきい値未満となったと判断された時に、前記アノード流路から排出された前記アノードオフガスを前記気液分離器に供給し、前記気液分離器で処理された前記アノードオフガスを前記アノード流路の入口に戻すと同時に、前記水素回収器から前記水素ガスを放出し、放出された前記水素ガスを前記アノードオフガスに添加する再生手段
を備さらに備えていても良い。
【発明の効果】
【００１５】
アノードオフガス循環式の燃料電池システムにおいては、気液分離器を用いてアノードオフガスから水蒸気が分離される。しかしながら、アノードオフガス循環を継続すると、やがてアノードオフガス中の不純物（例えば、気液分離器で除去しきれなかった水蒸気）の濃度が増大する。この場合、アノードオフガス循環を停止した状態で発電を継続すれば、アノード流路から不純物を排出することができる。しかしながら、この方法では、システム外に排出される未反応の水素量が増大する。
【００１６】
これに対し、アノードオフガス中の不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に、アノードオフガスを水素回収器に供給すると、アノードオフガスから未反応の水素ガスを回収することができる。水素回収器で処理されたアノードオフガスは、大半が不純物のみからなるので、そのままシステム外に排出することができる。また、回収された水素ガスは、燃料として再利用することができる。そのため、システム外に排出される水素量が低減され、燃料電池システムのエネルギー効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの模式図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの定常運転モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの水素回収モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図である。
【図４】図１に示す燃料電池システムの再生モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  燃料電池システム］
図１に、本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。なお、図１では、ガスが流れる経路と、冷却水が流れる経路のみが図示されており、電気回路は省略されている。
【００１９】
図１において、燃料電池システム１０は、
水素ガスを貯蔵する水素タンク１２と、
水素ガスを燃料とする燃料電池１４と、
水素タンク１２から燃料電池１４のアノード流路に水素ガスを供給するための水素ライン３０と、
アノード流路の出口から排出されるアノードオフガスをアノード流路の入口に戻す水素循環ライン４０と、
水素循環ライン４０上に設けられた、アノードオフガスから水蒸気を分離するための気液分離器１６と、
アノード流路の出口と気液分離器１６の入口との間にある水素循環ライン４０に対して並列に接続されたバイパス水素ライン５０と、
バイパス水素ライン５０上に設けられた、アノードオフガスから水素ガスを回収するための水素回収器１８と、
燃料電池システム１０の動作を制御する制御装置（図示せず）と
を備えている。
【００２０】
また、図１において、燃料電池システム１０は、
水素回収器１８又は燃料電池１４を冷却するための冷却装置２０と
冷却水を燃料電池１４と水素回収器１８との間で循環させる第１熱交換ライン６０と、
冷却水を水素回収器１８と冷却装置２０との間、又は、燃料電池１４と冷却装置２０との間で循環させる第２熱交換ライン７０と、
燃料電池１４の冷却流路の出口から排出された冷却水をそのまま燃料電池１４の冷却流路の入口に戻すためのバイパス冷却水ライン８０と
をさらに備えている。
【００２１】
［１．１．  水素タンク］
水素タンク１２は、燃料電池１４に供給される水素ガスを貯蔵するためのものである。本発明において、水素タンク１２の構造は、特に限定されない。水素タンク１２としては、例えば、高圧水素ガスタンク、水素吸蔵合金が内封されたＭＨタンク、液体水素タンクなどがある。
【００２２】
［１．２．  燃料電池］
本発明において、燃料電池１４は、水素ガスを燃料とするものである限りにおいて、特に限定されない。燃料電池１４としては、例えば、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池などがある。
【００２３】
［１．３．  水素ライン］
水素ライン３０は、水素タンク１２から燃料電池１４に水素ガスを供給するためのものである。図１に示す例において、水素ライン３０は、水素タンク１２と燃料電池１４のアノード流路の入口とを繋ぐガス管３２と、ガス管３２に設けられた第１開閉バルブＶ１とを備えている。第１開閉バルブＶ１は、流量調節機構を有していても良い。この点は、以下に説明する第２〜第５開閉バルブＶ２〜Ｖ５も同様である。
【００２４】
［１．４．  水素循環ライン］
水素循環ライン４０は、アノード流路の出口から排出されるアノードオフガスをアノード流路の入口に戻すためのものである。図１に示す例において、水素循環ライン４０は、
燃料電池１４のアノード流路の出口と気液分離器１６の入口とを繋ぐガス管４２と、
ガス管３２と気液分離器１６の出口とを繋ぐガス管４４と、
ガス管４２に設けられた第２開閉バルブＶ２と、
ガス管４４に設けられた水素ポンプ４６と
を備えている。
第２開閉バルブＶ２は、後述する第３開閉バルブＶ３及び第４開閉バルブＶ４と共に、アノードオフガスの流れの方向を切り替えるためのものである。水素ポンプ４６は、アノードオフガスを循環させるためのものである。
【００２５】
［１．５．  気液分離器］
気液分離器１６は、アノードオフガスから水蒸気を分離するためのものである。気液分離器１６は、水素循環ライン４０上に設けられている。
また、気液分離器１６の排気・排水口には、気液分離器１６内に滞留している水及びガスをシステム外に排出するための排気・配水管４８が接続されている。さらに、排気・配水管４８には、第５開閉バルブＶ５が設けられている。
【００２６】
［１．６．  バイパス水素ライン］
バイパス水素ライン５０は、アノードオフガスから水素を回収する時に、アノードオフガスを水素回収器１８に供給するためのものである。バイパス水素ライン５０は、アノード流路の出口と気液分離器１６の入口との間にある水素循環ライン４０に対して並列に接続されている。図１に示す例において、バイパス水素ライン５０は、
ガス管４２と水素回収器１８の入口とを繋ぐガス管５２と、
ガス管４２と水素回収器１８の出口とを繋ぐガス管５４と、
ガス管５２に設けられた第３開閉バルブＶ３と、
ガス管５４に設けられた第４開閉バルブＶ４と
を備えている。
【００２７】
［１．７．  水素回収器］
水素回収器１８は、アノードオフガスから水素ガスを回収するためのものである。水素回収器１８は、バイパス水素ライン５０上に設けられている。回収された水素ガスは、アノードオフガスから不純物ガスを取り除いた後、アノードオフガスに戻される。
本発明において、水素回収器１８の構造は、アノードオフガスから水素ガスを回収することが可能な限りにおいて、特に限定されない。水素回収器１８としては、例えば、その内部に水素貯蔵材料が内封されているＭＨタンクなどがある。
【００２８】
特に、ＭＨタンクは、燃料電池１４の排熱を利用して水素ガスを放出することができるので、水素回収器１８として好適である。水素回収器１８に供給されるアノードオフガスは、水素ガス以外の不純物ガス（例えば、水蒸気など）が含まれている。そのため、水素回収器１８としてＭＨタンクを用いる場合、水素貯蔵材料は、表面が水素透過膜で被覆されているものが好ましい。水素貯蔵材料の表面を水素透過膜で被覆すると、不純物ガスによる水素貯蔵材料の劣化を抑制することができる。
【００２９】
［１．８．  冷却装置］
冷却装置２０は、水素回収器１８又は燃料電池１４を冷却するためのものである。冷却装置２０は、第２熱交換ライン７０に設けられている。
水素回収器１８がＭＨタンクである場合、水素吸蔵時に発熱を伴う。この場合、冷却装置２０を用いて水素回収器１８を冷却するのが好ましい。
また、燃料電池１４の熱収支のバランスが取れている場合、燃料電池１４の冷却は必ずしも必要ではない。しかし、不可抗力により燃料電池１４の温度が過度に上昇することがある。このような場合、冷却装置２０を用いて燃料電池１４を冷却するのが好ましい。
【００３０】
［１．９．  第１熱交換ライン］
第１熱交換ライン６０は、冷却水を燃料電池１４と水素回収器１８との間で循環させるためのものからなる。水素回収器１８がＭＨタンクである場合、水素放出時には吸熱を伴う。この場合、外部熱源を用いて水素回収器１８に放出熱を供給することもできる。しかしながら、外部熱源を用いる方法では熱効率が悪い。これに対し、燃料電池１４からの廃熱を利用すると、外部熱源を用いることなく、水素を放出させることができる。
【００３１】
図１に示す例において、第１熱交換ライン６０は、
燃料電池１４の冷却流路の出口と水素回収器１８の冷却流路の入口とを繋ぐ水管６２と、
水素回収器１８の冷却流路の出口と燃料電池１４の冷却流路の入口とを繋ぐ水管６４と、
水管６２に設けられた第１熱媒ポンプ６６及び第１三方弁ＣＶ１と、
水管６４に設けられた第２三方弁ＣＶ２と
を備えている。
第１熱媒ポンプ６６は、第１三方弁ＣＶ１と燃料電池１４の冷却流路の出口との間にある水管６２上に設けられている。
第１熱媒ポンプ６６は、冷却水を循環させるためのものである。第１三方弁ＣＶ１及び第２三方弁ＣＶ２は、冷却水の流れの方向を切り替えるためのものである。
【００３２】
［１．１０．  第２熱交換ライン］
第２熱交換ライン７０は、冷却水を水素回収器１８と冷却装置２０との間、又は、燃料電池１４と冷却装置２０との間で循環させるためのものである。上述したように、冷却装置２０は必ずしも必要ではないが、冷却装置２０を備えていると、水素回収器１８及び／又は燃料電池１４の温度制御が容易となる。
【００３３】
図１に示す例において、第２熱交換ライン７０は、
水管６２と冷却装置２０の冷却流路の入口とを繋ぐ水管７２と、
水管６４と冷却装置２０の冷却流路の出口とを繋ぐ水管７４と、
水管７２に設けられた第６開閉バルブＶ６と、
水管７４に設けられた第２熱媒ポンプ７６及び第７開閉バルブＶ７と
を備えている。
第２熱媒ポンプ７６は、第７開閉バルブＶ７と冷却装置２０の冷却流路の出口との間にある水管７４上に設けられている。
第２熱媒ポンプ７６は、冷却装置２０に冷却水を供給するためのものである。第６開閉バルブＶ６及び第７開閉バルブＶ７は、冷却水の流れの方向を切り替えるためのものである。
【００３４】
［１．１１．  バイパス冷却水ライン］
バイパス冷却水ライン８０は、燃料電池１４の冷却流路の出口から排出された冷却水をそのまま燃料電池１４の冷却流路の入口に戻すためのものである。上述したように、燃料電池１４の熱収支のバランスが取れている場合、燃料電池１４の冷却は不要である。このような場合、冷却装置２０を介すことなく、単に冷却水を循環させるだけで良い。
図１に示す例において、バイパス冷却水ライン８０は、水管８２と、水管８２の一方の端部に接続された第１三方弁ＣＶ１と、水管８２の他方の端部に接続された第２三方弁ＣＶ２とを備えている。
【００３５】
［１．１２．  圧力検出器］
燃料電池システム１０は、バイパス水素ライン５０の圧力を検出するための圧力検出器（図示せず）をさらに備えていても良い。圧力検出器は、アノードオフガスの排出量を制御する際に用いられる。排出量の制御の詳細については、後述する。
【００３６】
［１．１３．  制御装置］
制御装置（図示せず）は、燃料電池システム１０の動作を制御するためのものである。本発明において、制御装置は、通常の制御に加えて、定常運転制御手段と、水素回収手段とを備えている。制御装置は、再生手段及び／又は排出量制御手段をさらに備えていても良い。
【００３７】
［１．１３．１．  定常運転制御手段］
「定常運転制御手段」とは、定常運転時に実行される手段であって、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを気液分離器１６に供給し、気液分離器１６で処理されたアノードオフガスをアノード流路の入口に戻すための手段をいう。この場合、冷却水の制御方法は、特に限定されない。
【００３８】
燃料電池１４の熱収支のバランスが取れている場合、定常運転制御手段は、
定常運転時において、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを気液分離器１６に供給し、気液分離器１６で処理されたアノードオフガスをアノード流路の入口に戻し、さらに、
燃料電池１４の冷却流路の出口から排出された冷却水を、バイパス冷却水ライン８０を介して燃料電池１４の冷却流路の入口に戻すものが好ましい。
一方、燃料電池１４の温度が過度に上昇した時は、燃料電池１４と冷却装置２０との間で冷却水を循環させても良い。
【００３９】
［１．１３．２．  水素回収手段］
「水素回収手段」とは、アノードオフガスに含まれる不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に実行される手段であって、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを、バイパス水素ライン５０を介して水素回収器１８に供給し、水素回収器１８で処理されたアノードオフガスを気液分離器１６を介して大気に排出する手段をいう。
【００４０】
水素回収器１８がアノードオフガスから水素を回収する際に発熱を伴うもの（例えば、ＭＨタンク）である場合、水素回収手段は、
アノードオフガスに含まれる不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを、バイパス水素ライン５０を介して水素回収器１８に供給し、水素回収器１８で処理されたアノードオフガスを気液分離器１６を介して大気に排出し、さらに、
燃料電池１４の冷却流路の出口から排出された冷却水をバイパス冷却水ライン８０を介して燃料電池１４の冷却流路の入口に戻し、かつ、第２熱交換ライン７０を介して水素回収器１８と冷却装置２０との間で冷却水を循環させるものが好ましい。
【００４１】
アノードオフガスに含まれる不純物濃度がしきい値を超えたか否かは、例えば、
（ａ）燃料電池１４の電圧・電流を検出する、
（ｂ）前回の排気・排水時からの水素タンク１２からの水素供給量と燃料電池１４の発電量の積算値を算出する、
などの方法により知ることができる。
【００４２】
［１．１３．３．  再生手段］
「再生手段」とは、水素回収手段を実行した後、不純物濃度がしきい値未満となったと判断された時に実行される手段であって、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを気液分離器１６に供給し、気液分離器１６で処理されたアノードオフガスを燃料電池１４のアノード流路の入口に戻すと同時に、水素回収器１８から水素ガスを放出し、放出された水素ガスをアノードオフガスに添加する手段をいう。
【００４３】
水素回収器１８が水素を放出する際に吸熱を伴うもの（例えば、ＭＨタンク）である場合、再生手段は、
水素回収手段を実行した後、不純物濃度が前記しきい値未満となったと判断された時に、燃料電池１４のアノード流路から排出されたアノードオフガスを気液分離器１６に供給し、気液分離器１６で処理されたアノードオフガスをアノード流路の入口に戻すと同時に、水素回収器１８から水素ガスを放出し、放出された水素ガスをアノードオフガスに添加し、さらに、
第１熱交換ライン６０を介して燃料電池１４と水素回収器１８との間で冷却水を循環させるものが好ましい。
【００４４】
［１．１３．４．  排出量制御手段］
「排出量制御手段」とは、水素回収手段を実行する際に、圧力検出器で検出されたバイパス水素ライン５０の圧力に基づいて、アノードオフガスの排出及び停止、又は、アノードオフガスの大気への排出量を制御する手段をいう。
水素回収器１８用いてアノードオフガスから水素ガスを回収する場合、水素ガスをほぼ完全に回収するのに所定の時間を要する場合がある。このような場合において、アノードオフガスを単に水素回収器１８及び気液分離器１６に供給すると、回収しきれなかった水素ガスがシステム外に放出される場合がある。
【００４５】
このような場合、バイパス水素ライン５０の圧力を監視しながら、アノードオフガスの排出及び停止、あるいは、アノードオフガスの排出量を制御するのが好ましい。
アノードオフガスの排出量の制御は、例えば、開閉バルブＶ５の開閉操作、あるいは、開閉バルブＶ５の流量制御により行うことができる。
【００４６】
［２．  燃料電池システムの運転方法］
次に、図１に示す燃料電池システム１０の運転方法について説明する。なお、以下では、燃料電池１４として固体高分子形燃料電池を用い、水素回収器１８としてＭＨタンクを用いた例について説明する。水素吸蔵合金には、以下の平衡特性（温度、圧力）を有し、かつ、表面が水素透過膜で被覆されているものを用いた。
３０℃の平衡水素圧力（絶対圧）：  ０．０５ＭＰａ
６０℃の平衡水素圧力（絶対圧）：  ０．２ＭＰａ
さらに、環境温度は、３０℃とした。
【００４７】
［２．１．  定常運転モード］
図２に、図１に示す燃料電池システム１０の定常運転モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図を示す。図２中、開閉バルブ及び三方弁の内、黒く塗りつぶされている部分は閉じられていることを表す。この点は、図３〜図４も同様である。
【００４８】
定常運転時において、燃料電池１４の作動温度は、６０℃である。この場合、第１三方弁ＣＶ１及び第２三方弁ＣＶ２を、それぞれ、バイパス冷却水ライン８０側に切り替える。この状態で、第１熱媒ポンプ６６を起動させる。また、水素ポンプ４６を起動させ、第２開閉バルブＶ２を開にする。これにより、水素ガスが燃料電池１４と気液分離器１６との間で循環する。第１開閉バルブＶ１は、常時開としても良く、あるいは、必要水素供給量に応じて開閉しても良い。第１開閉バルブＶ１を開にすると、水素タンク１２から必要量の水素が燃料電池１４に供給される。
【００４９】
［２．２．  水素回収モード］
図３に、図１に示す燃料電池システム１０の水素回収モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図を示す。
【００５０】
水素循環ライン４０の不純物濃度がしきい値以上になったと判断された場合（例えば、燃料電池１４のアノードオフガス出口の全圧が０．２ＭＰａであり、かつ、水素分圧が０．１５ＭＰａである場合）、水素ポンプ４６を停止させる。また、第２開閉バルブＶ２を閉にし、第３開閉バルブＶ３及び第４開閉バルブＶ４を開にする。これにより、水素回収器１８内の水素吸蔵合金に、分圧０．０５ＭＰａとなるまで水素を吸蔵させることができる。また、バイパス水素ライン５０の圧力を検知して第５開閉バルブＶ５を開閉制御し、水素回収器１８を通過したアノードオフガスを大気に放出する。
【００５１】
さらに、第２熱媒ポンプ７６を起動し、第６開閉弁Ｖ６及び第７開閉弁Ｖ７を開にし、水素回収器１８中の水素吸蔵合金を３０℃に冷却する。水素循環ライン４０中の不純物濃度がしきい値未満になったと判断された時は、後述する再生モードに移行する。
なお、水素回収器１８の水素吸蔵量がフル充填に満たない時は、再生モードではなく、上述した定常運転モードに移行しても良い。
【００５２】
［２．３．  再生モード］
図４に、図１に示す燃料電池システム１０の再生モード時におけるガス及び冷却水の流れの模式図を示す。
【００５３】
アノードオフガスの不純物濃度がしきい値未満になったと判断された時は、第２開閉バルブＶ２を開にし、第３開閉バルブＶ３及び第５開閉バルブＶ５を閉にし、水素ポンプ４６を起動させる。また、第６開閉バルブＶ６及び第７開閉バルブＶ７を閉にし、第２熱媒ポンプ７６を停止させる。その一方で、第１三方弁ＣＶ１及び第２三方弁ＣＶ２を水素回収器１８側に切り替える。この操作により、燃料電池１４の廃熱（６０℃）を利用して、水素回収器１８から０．２ＭＰａの水素を放出し、燃料電池１４に供給できる。この場合もまた、必要に応じて、第１開閉バルブＶ１を開閉する。
【００５４】
［３．  作用］
アノードオフガス循環式の燃料電池システムにおいては、気液分離器を用いてアノードオフガスから水蒸気が分離される。しかしながら、アノードオフガス循環を継続すると、やがてアノードオフガス中の不純物（例えば、気液分離器で除去しきれなかった水蒸気）の濃度が増大する。この場合、アノードオフガス循環を停止した状態で発電を継続すれば、アノード流路から不純物を排出することができる。しかしながら、この方法では、システム外に排出される未反応の水素量が増大する。
【００５５】
これに対し、アノードオフガス中の不純物濃度がしきい値を超えたと判断された時に、アノードオフガスを水素回収器に供給すると、アノードオフガスから未反応の水素ガスを回収することができる。水素回収器で処理されたアノードオフガスは、大半が不純物のみからなるので、そのままシステム外に排出することができる。また、回収された水素ガスは、燃料として再利用することができる。そのため、システム外に排出される水素量が低減され、燃料電池システムのエネルギー効率が向上する。
【００５６】
また、水素回収器として、表面が水素透過膜で被覆された水素吸蔵合金を内封したＭＨタンクを用いると、アノードオフガス中の水素のみを回収・貯蔵することが可能となる。
また、水素吸蔵合金が内封された水素回収器を第５開閉バルブＶ５（排気排水弁）の上流側に設置することで、水素回収器で水素を回収した後のアノードオフガスをシステム外に排出することができる。
また、冷却水ラインを通して燃料電池の廃熱を利用することで、外部エネルギーを投入することなく水素回収器で回収した水素を燃料電池に供給できる。
さらに、熱交換ラインに冷却装置を設置し、さらに燃料電池側と冷却装置側を熱的に切り離す機構を設置することで、水素回収時に水素吸蔵合金を冷却することができる。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る燃料電池システムは、車載動力源、定置型の発電システム等に使用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１０  燃料電池システム
１２  水素タンク
１４  燃料電池
１６  気液分離器
１８  水素回収器
２０  冷却装置
３０  水素ライン
４０  水素循環ライン
５０  バイパス水素ライン
６０  第１熱交換ライン
７０  第２熱交換ライン
８０  バイパス冷却水ライン
【図１】
2019102283.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2019102283.tif 000006