(57)【要約】【課題】反応ガスを循環させるために要する出力が増大したり、システムが大型化することを抑制しつつ、所望の反応ガスの循環量を確保する。【解決手段】燃料供給装置１３とアノード３２側の入口側配管４１との間にエゼクタ１４を配置し、エゼクタ１４の副流導入口と燃料電池１１のアノード側の出口側配管４３とを接続する燃料循環流路１５に循環ポンプ１６を迂回するバイパス流路１７を設けた。バイパス流路１７には、ガスの流通方向に沿って順次、第１の逆止弁２１と、バイパス側ポンプ１８と、燃料分離器１９と、第２の逆止弁２２とを備えた。燃料分離器１９を、水素を選択的に透過させる水素選択透過膜１９ａを両側から挟み込むようにして配置されたガス導入室１９ｂと水素分離室１９ｃとを備えて構成し、水素選択透過膜１９ａを、例えばパラジウムの薄膜や芳香族ポリイミド等の高分子膜とした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を両側から挟み込む燃料極と酸素極を有し、反応ガスとして、水素を含む燃料が前記燃料極へ供給され、酸素を含む酸化剤が前記酸素極へ供給され、電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記燃料極から排出される排出ガスを流通させる排出流路と、前記燃料極へ供給される前記燃料を流通させる供給流路とを接続し、前記排出ガスを新たに供給される前記燃料に合流させて前記燃料電池へ再循環させる循環流路と、
前記循環流路から分岐して前記循環流路または前記供給流路に接続される分岐流路と、
前記分岐流路に配置され、前記分岐流路を流通する前記排出ガスから前記燃料を選択的に分離して前記分岐流路に排出可能な燃料分離器とを備えることを特徴とする反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項２】
前記循環流路に配置され、前記排出ガスを循環させる循環ポンプを備え、
前記分岐流路は前記循環ポンプの上流部と下流部とを接続し、前記循環ポンプを迂回するように前記排出ガスを流通させることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項３】
前記循環流路に配置され、前記排出ガスを循環させる循環ポンプを備え、
前記分岐流路は前記循環ポンプの上流部と下流部とを接続し、前記循環ポンプを再循環するように前記排出ガスを流通させることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項４】
前記分岐流路において、前記燃料分離器の上流側に配置され、前記排出ガスを前記燃料分離器へ流通させる流通ポンプを備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項５】
前記分岐流路は、前記排出ガスの逆流を規制する逆止弁を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料分離器に接続され、前記排出ガスから前記燃料が分離されてなる不純物を外部に排出可能な不純物排出流路を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項７】
前記不純物排出流路に配置され、前記不純物の流量を変更可能な制御弁を備えることを特徴とする請求項６に記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項８】
前記不純物排出流路に配置され、前記不純物に含まれる前記燃料を燃焼可能な燃焼器を備えることを特徴とする請求項６または請求項７の何れかに記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項９】
前記排出ガスから前記燃料を選択的に分離する際に、前記排出ガスに含まれる前記燃料以外の物質が分離された燃料に混入する割合の逆数に係る分離率が、前記燃料分離器の前記分離率よりも小さな値である第２の燃料分離器を前記循環流路に備え、
前記分岐流路は、前記第２の燃料分離器と、前記循環経路または前記供給流路とを接続し、前記第２の燃料分離器にて前記排出ガスから前記燃料が分離されてなる不純物濃縮ガスを前記燃料分離器へ供給することを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項１０】
少なくとも前記供給流路または前記排出流路の何れかに配置され、前記燃料あるいは前記燃料以外の所定物質の濃度を検出する濃度検出器と、
前記濃度検出器の検出結果に応じて、前記不純物排出流路から排出される前記不純物の流量を制御する排出流量制御手段および前記燃料分離器での前記排出ガスの分離状態を制御する分離制御手段とを備えることを特徴とする請求項６から請求項９の何れかに記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、
前記状態検出手段の検出結果に応じて、前記不純物排出流路から排出される前記不純物の流量を制御する排出流量制御手段および前記燃料分離器での前記排出ガスの分離状態を制御する分離制御手段とを備えることを特徴とする請求項６から請求項９の何れかに記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料分離器は、前記燃料を選択的に透過させる選択透過膜、または、イオン化された前記燃料に対する導電性を有する電解質膜および該電解質膜を両側から挟み込み、外部電源から通電される電極部材を具備する電気化学的ポンプを備えることを特徴とする請求項１から請求項１１の何れかに記載の反応ガス循環型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池を備える反応ガス循環型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と酸素極（カソード）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。そして、このような燃料電池において発電効率を高く維持するために、燃料電池から排出される反応ガス（例えば、燃料極側における水素）を新たに燃料電池へ供給される反応ガスに混合して燃料電池へ再循環させる反応ガス循環型燃料電池システムが知られている。
ところで、このような反応ガス循環型燃料電池システムでは、酸素極に供給される空気に含まれる窒素が固体高分子電解質膜を通過して燃料極まで移動することによって、燃料極の循環系内を流通する反応ガス中の窒素濃度が上昇し、相対的に水素の分圧や循環量が低下してしまうという問題が生じる。
このような問題に対して、従来、例えば燃料極の循環系内に、入力される反応ガス中の水素成分を分離し、濃縮して出力する水素分離膜を備えた燃料電池発電プラントが知られている（例えば、特許文献１参照）が知られている。
また、従来、例えば燃料極の循環系内に、入力される反応ガス中の水素成分を電気化学反応により分離して出力する水素分離器を備えた燃料電池発電装置が知られている（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３０２６０９号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３６７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術に係る燃料電池発電プラントや燃料電池発電装置において、燃料極の循環系内を流通する反応ガスは、常に水素分離膜や水素分離器を通過するように設定されていることから、通過時に生じる圧力損失が過剰に増大する場合がある。この場合、所望の水素循環量を確保するためには、例えば水素分離膜や水素分離器を大型化させる必要が生じたり、例えば循環系内にて反応ガスを循環させるための循環ポンプの出力を増大させる必要が生じ、循環ポンプの消費電力が増大したり、循環ポンプや燃料電池システムが大型化してしまうという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、反応ガスを循環させるために要する出力が増大したり、システムが大型化することを抑制しつつ、所望の反応ガスの循環量を確保することが可能な反応ガス循環型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を両側から挟み込む燃料極（例えば、実施の形態でのアノード３２）と酸素極（例えば、実施の形態でのカソード３３）を有し、反応ガスとして、水素を含む燃料が前記燃料極へ供給され、酸素を含む酸化剤が前記酸素極へ供給され、電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料極から排出される排出ガスを流通させる排出流路（例えば、実施の形態での出口側配管４３）と、前記燃料極へ供給される前記燃料を流通させる供給流路（例えば、実施の形態での入口側配管４１、燃料供給管５２）とを接続し、前記排出ガスを新たに供給される前記燃料に合流させて前記燃料電池へ再循環させる循環流路（例えば、実施の形態での燃料循環流路１５）と、前記循環流路から分岐して前記循環流路または前記供給流路に接続される分岐流路（例えば、実施の形態でのバイパス流路１７、第２の燃料循環流路５１、バイパス流路５３）と、前記分岐流路に配置され、前記分岐流路を流通する前記排出ガスから前記燃料を選択的に分離して前記分岐流路に排出可能な燃料分離器とを備えることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、燃料電池の燃料極から排出される排出ガスが、循環流路によって燃料電池の燃料極へ再循環させられる状態において、例えば酸素極から燃料極への適宜のガス（例えば、窒素等）の透過等によって、排出ガス中の燃料の濃度が相対的に低下する虞がある場合であっても、燃料分離器において排出ガスから燃料が分離されて分岐流路へ排出されることから、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度が過剰に低下することを防止することができる。
しかも、燃料分離器は循環流路から分岐する分岐流路に配置されていることから、例えば燃料分離器における圧力損失等によって、循環流路における燃料の循環量が過剰に低下することを防止することができる。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記循環流路に配置され、前記排出ガスを循環させる循環ポンプを備え、前記分岐流路は前記循環ポンプの上流部と下流部とを接続し、前記循環ポンプを迂回するように前記排出ガスを流通させることを特徴としている。
【０００８】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、燃料分離器は循環ポンプを迂回する分岐流路に配置されていることから、循環流路における燃料の所望の循環量を確保するために要する循環ポンプの出力が過剰に増大することを防止することができる。
【０００９】
さらに、請求項３に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記循環流路に配置され、前記排出ガスを循環させる循環ポンプを備え、前記分岐流路は前記循環ポンプの上流部と下流部とを接続し、前記循環ポンプを再循環するように前記排出ガスを流通させることを特徴としている。
【００１０】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、燃料分離器は循環ポンプを再循環する分岐流路に配置されていることから、循環ポンプの出力を有効に利用して分岐流路に排出ガスを流通させることができる。
【００１１】
さらに、請求項４に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記分岐流路において、前記燃料分離器の上流側に配置され、前記排出ガスを前記燃料分離器へ流通させる流通ポンプ（例えば、実施の形態でのバイパス側ポンプ１８）を備えることを特徴としている。
【００１２】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、流通ポンプの駆動により、例えば燃料電池の発電状態や燃料電池から排出される排出ガスに含まれる燃料や燃料以外の物質の濃度等に応じて、循環流路を流通する排出ガスのうち、燃料分離器へ供給される排出ガスの流量や圧力を適宜に変更することができ、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度を適切に制御することができる。
【００１３】
さらに、請求項５に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムでは、前記分岐流路は、前記排出ガスの逆流を規制する逆止弁（例えば、実施の形態での第１および第２の逆止弁２１，２２）を備えることを特徴としている。
【００１４】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、例えば燃料電池の発電状態の変動に応じて燃料極に供給される燃料の供給圧力が変化した場合には、燃料分離器の下流側と上流側との間の圧力差を過渡的に増大させることができるため、燃料分離器において分離効率を高めることができる。
【００１５】
さらに、請求項６に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記燃料分離器に接続され、前記排出ガスから前記燃料が分離されてなる不純物を外部に排出可能な不純物排出流路（例えば、実施の形態での排出管２３ａ）を備えることを特徴としている。
【００１６】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、燃料分離器に供給された排出ガスのうち、分離された燃料以外の不純物を外部に排出することによって、例えば分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系において、不純物の濃度が過剰に増大することを防止することができる。
【００１７】
さらに、請求項７に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記不純物排出流路に配置され、前記不純物の流量を変更可能な制御弁（例えば、実施の形態での排出弁２３）を備えることを特徴としている。
【００１８】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、例えば燃料電池の発電状態や燃料電池から排出される排出ガスに含まれる燃料や燃料以外の物質の濃度等に応じて、分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系における不純物の濃度を適切に制御することができる。
【００１９】
さらに、請求項８に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記不純物排出流路に配置され、前記不純物に含まれる前記燃料を燃焼可能な燃焼器を備えることを特徴としている。
【００２０】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、不純物排出流路を流通する不純物に燃料が含まれる場合であっても、燃料が外部に排出されてしまうことを防止することができる。しかも、燃料の燃焼により発生した熱を、例えば燃料電池に対する加温等に利用することができる。
【００２１】
さらに、請求項９に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記排出ガスから前記燃料を選択的に分離する際に、前記排出ガスに含まれる前記燃料以外の物質が分離された燃料に混入する割合の逆数に係る分離率が、前記燃料分離器の前記分離率よりも小さな値である第２の燃料分離器を前記循環流路に備え、前記分岐流路は、前記第２の燃料分離器と、前記循環経路または前記供給流路とを接続し、前記第２の燃料分離器にて前記排出ガスから前記燃料が分離されてなる不純物濃縮ガスを前記燃料分離器へ供給することを特徴としている。
【００２２】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、循環流路に配置された第２の燃料分離器によって相対的に小さな分離率で燃料を分離し、さらに、分岐流路の燃料分離器によって相対的に大きな分離率で燃料を分離することによって、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度が過剰に低下することを、より一層、確実に防止することができる。しかも、第２の燃料分離器の分離率が相対的に小さな値に設定されることで、循環流路を流通する排出ガスが定常的に第２の燃料分離器を通過する際の圧力損失が増大することを抑制し、循環流路における燃料の循環量が過剰に低下することを防止することができる。
【００２３】
さらに、請求項１０に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、少なくとも前記供給流路または前記排出流路の何れかに配置され、前記燃料あるいは前記燃料以外の所定物質の濃度を検出する濃度検出器（例えば、実施の形態での第１および第２の水素センサ４５，４６）と、前記濃度検出器の検出結果に応じて、前記不純物排出流路から排出される前記不純物の流量を制御する排出流量制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４）および前記燃料分離器での前記排出ガスの分離状態を制御する分離制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４が兼ねる）とを備えることを特徴としている。
【００２４】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、例えば、燃料電池の燃料極に再循環させられる排出ガスや燃料極から排出される排出ガスに含まれる燃料の濃度が所定の下限値を超えたり、燃料以外の所定物質の濃度が所定の上限値を超えるときには、排出流量制御手段により不純物排出流路から排出される不純物の流量を増大させると共に分離制御手段により、例えば燃料分離器へ供給される排出ガスの圧力を増大させることで、分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系において燃料の濃度が過剰に低下することを防止することができる。
【００２５】
さらに、請求項１１に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段（例えば、実施の形態でのセル電圧検出器４７）と、前記状態検出手段の検出結果に応じて、前記不純物排出流路から排出される前記不純物の流量を制御する排出流量制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４）および前記燃料分離器での前記排出ガスの分離状態を制御する分離制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４が兼ねる）とを備えることを特徴としている。
【００２６】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、状態検出手段は燃料電池の状態として、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルの電圧等を検出する。ここで、排出流量制御手段および供給圧力制御手段は、検出されたセルの電圧が所定の下限値を超えた場合には、分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系において燃料の濃度が過剰に低下する虞があると判断する。そして、排出流量制御手段および分離制御手段は、不純物排出流路から排出される不純物の流量を増大させると共に、例えば燃料分離器へ供給される排出ガスの圧力を増大させる。これにより、燃料の供給系において燃料の濃度が過剰に低下することを防止することができる。
【００２７】
さらに、請求項１２に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムでは、前記燃料分離器は、前記燃料を選択的に透過させる選択透過膜（例えば、実施の形態での水素選択透過膜１９ａ）、または、イオン化された前記燃料に対する導電性を有する電解質膜（例えば、実施の形態での固体電解質膜）および該電解質膜を両側から挟み込み、外部電源から通電される電極部材を具備する電気化学的ポンプ（例えば、実施の形態での電気化学的水素ポンプ）を備えることを特徴としている。
【００２８】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、燃料分離器は、排出ガスの供給圧力により選択透過膜の一方の面と他方の面との間に生じる圧力差に応じて排出ガスから燃料を選択的に分離したり、外部電源からの通電により一方の電極部材にて燃料をイオン化すると共に、他方の電極部材にてイオンから燃料を生成することにより排出ガスから燃料を選択的に分離する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の反応ガス循環型燃料電池システムの一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０は、例えば燃料電池車両に駆動用電源として搭載されており、図１に示すように、燃料電池１１と、エアーコンプレッサー１２と、燃料供給装置１３と、エゼクタ１４と、燃料循環流路１５と、循環ポンプ１６と、バイパス流路１７と、バイパス側ポンプ１８と、燃料分離器１９と、２つの第１および第２の逆止弁２１，２２と、排出弁２３と、制御装置（ＥＣＵ）２４とを備えて構成されている。
【００３０】
燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜（膜）３１を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）３２と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）３３とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータ３４，３５で挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
そして、電解質電極構造体と対向する各セパレータ３４，３５の表面上には凹溝が形成されており、各凹溝と電解質電極構造体とによってアノード流路およびカソード流路が形成されている。
【００３１】
燃料電池１１のアノード３２には、アノード流路に接続された入口側配管４１から水素等の燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノード３２の触媒電極上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜２１を介してカソード３３へと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路（図示略）に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード３３には、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気が、カソード流路に接続された入口側配管４２からエアーコンプレッサー１２によって供給され、このカソード３３において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、アノード流路に接続された出口側配管４３およびカソード流路に接続された出口側配管４４から未反応の反応ガスを含む排出ガスが燃料電池１１の外部に排出される。
【００３２】
燃料供給装置１３は、例えば高圧の水素タンクと、エアーコンプレッサー１２から供給される空気の圧力を信号圧として所定圧力の水素を排出する空気式の比例圧力制御弁等とを備えて構成され、この燃料供給装置１３から供給される水素は、エゼクタ１４を介して燃料電池１１のアノード３２側の入口側配管４１へと流通させられる。
エゼクタ１４は、燃料供給装置１３から供給され、内部を流通する高速の水素ガス流の近傍に発生する負圧によって、副流とされる燃料電池１１のアノード側の出口側配管４３からの排出ガスを吸い込み、この排出ガスを燃料供給装置１３から供給される水素と混合し、反応ガスとして燃料電池１１へ再度供給することで、燃料電池１１から排出される排出ガスを循環させる。すなわち、エゼクタ１４の副流導入口は燃料循環流路１５によって燃料電池１１のアノード側の出口側配管４３と接続されており、さらに、この燃料循環流路１５には排出ガスを循環させるための循環ポンプ１６が備えられている。
【００３３】
燃料循環流路１５には、循環ポンプ１６を迂回するバイパス流路１７が設けられており、このバイパス流路１７には、排出ガスの流通方向に沿って順次、第１の逆止弁２１と、バイパス側ポンプ１８と、燃料分離器１９と、第２の逆止弁２２とが備えられている。
例えば、燃料電池１１の発電状態等に応じて、バイパス側ポンプ１８が制御装置２４の制御により駆動されると、燃料循環流路１５内を流通する排出ガスの全量あるいは適宜の量が燃料分離器１９に導入され、燃料分離器１９にて分離された水素が燃料循環流路１５内に戻るようになっている。
【００３４】
燃料分離器１９は、導入された排出ガスに含まれる水素のみを選択的に分離してバイパス流路１７へ排出するものであって、例えば、水素を選択的に透過させる水素選択透過膜１９ａを両側から挟み込むようにして配置されたガス導入室１９ｂと水素分離室１９ｃとを備えて構成されている。なお、水素選択透過膜１９ａは、例えばパラジウムの薄膜や芳香族ポリイミド等の高分子膜とされている。ここで、バイパス側ポンプ１８によって燃料循環流路１５からバイパス流路１７へ分流された排出ガスは、先ず、ガス導入室１９ｂに導入される。そして、ガス導入室１９ｂの排出ガスに含まれる水素は、バイパス側ポンプ１８により発生させられた圧力によって、水素選択透過膜１９ａを透過させられ、水素分離室１９ｃへと流通させられる。一方、水素以外の不純物（例えば、窒素等）はガス導入室１９ｂに残留させられ、バイパス側ポンプ１８により発生させられた圧力によって濃縮される。そして、水素分離室１９ｃの水素は、バイパス流路１７の第２の逆止弁２２を介して燃料循環流路１５へと流通させられる。
なお、ガス導入室１９ｂには、例えば制御装置２４により開閉制御される排出弁２３を有する排出管２３ａが設けられており、ガス導入室１９ｂに残留する水素以外の不純物を外部に排出することができるようにされている。
【００３５】
制御装置２４は、例えば、車両の運転状態に応じてエアーコンプレッサー１２の回転数に対する指令値を算出し、この指令値に応じてエアーコンプレッサー１２の動作を制御することによって、燃料電池１１の発電状態を制御する。
さらに、制御装置２４は、例えば、燃料電池１１のアノード３２に供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や燃料電池１１のアノード３２から排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や燃料電池１１の発電状態（例えば、燃料電池セルの出力電圧であるセル電圧等）に基づいて、バイパス側ポンプ１８の駆動および排出弁２３の開閉動作を制御する。
【００３６】
例えば、制御装置２４は、燃料電池１１に供給される反応ガスや燃料電池１１から排出される排出ガスの水素濃度が所定濃度以下になったときや、セル電圧が所定電圧以下になったときにバイパス側ポンプ１８を駆動し、燃料循環流路１５内の排出ガスが燃料分離器１９へ導入されるように設定する。このとき、制御装置２４は、例えば車両の運転状態等に応じて、バイパス側ポンプ１８と共に循環ポンプ１６の動作を制御することによって、燃料分離器１９へ導入する排出ガスの量を適宜に変更可能であり、燃料循環流路１５内を流通する排出ガスの全量あるいは適宜の量を燃料分離器１９へ導入可能である。
さらに、このとき、燃料分離器１９へ導入する排出ガスの量を制御することに加えて、制御装置２４は、燃料分離器１９へ導入する排出ガスの圧力を制御することで分離状態を制御する。すなわち、燃料分離器１９においては、水素選択透過膜１９ａの上流側のガス導入室１９ｂと下流側の水素分離室１９ｃとの間の差圧が大きくなることに伴い、水素選択透過膜１９ａを透過する水素の量が増大するため、制御装置２４は、例えばバイパス側ポンプ１８へ供給する駆動電流に対する電流指令値を増大させて、ガス導入室１９ｂに導入される排出ガスの圧力を増大させる。これにより、水素選択透過膜１９ａの上流側と下流側との間の差圧が増大し、水素選択透過膜１９ａを透過して燃料循環流路１５内に戻る水素の量が増大すると共に、燃料循環流路１５内に存在する水素以外の不純物の量が低減され、燃料循環流路１５内を流通する排出ガスの水素濃度が増大させられる。
【００３７】
このため、制御装置２４には、例えば、燃料電池１１のアノード３２側の入口側配管４１に設けられた第１の水素センサ４５から出力される検出信号と、燃料電池１１のアノード３２側の出口側配管４３に設けられた第２の水素センサ４６から出力される検出信号と、燃料電池１１の発電状態を検出するためのセル電圧検出器４７から出力される検出信号とが入力されている。
なお、各水素センサ４５，４６は、例えばガス接触燃焼式の水素センサや、例えば熱伝導式水素センサや、例えば超音波式ガスセンサ等とされている。
【００３８】
上述したように、本実施の形態による反応ガス循環型燃料電池システム１０によれば、燃料循環流路１５を流通する排出ガスのうち燃料分離器１９へ導入される排出ガスの量を適宜に変更可能であり、燃料電池１１の運転時において、循環ポンプ１６の出力が増大することを抑制しつつ、燃料循環流路１５を流通する排出ガスおよび反応ガス中の不純物の濃度が過剰に増大することを防止することができる。
【００３９】
なお、上述した本実施の形態においては、燃料循環流路１５の循環ポンプ１６を迂回するバイパス流路１７に燃料分離器１９を配置するとしたが、これに限定されず、例えば図２に示す本実施形態の第１変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０のように、循環ポンプ１６により排出ガスを循環させるための第２の燃料循環流路５１を、循環ポンプ１６に対して燃料循環流路１５と並列に設け、この第２の燃料循環流路５１に燃料分離器１９を配置してもよい。なお、この第２の燃料循環流路５１においては、ガスの流通方向に沿って順次、第１の逆止弁２１と、バイパス側ポンプ１８と、燃料分離器１９と、第２の逆止弁２２とが備えられている。
この場合、循環ポンプ１６から排出された排出ガスのうちの適宜の量が第２の燃料循環流路５１に分流され、燃料分離器１９に導入されるようになり、上述した本実施の形態におけるバイパス側ポンプ１８を省略することができ、反応ガス循環型燃料電池システム１０の小型化に資することができる。
【００４０】
また、上述した本実施の形態において、バイパス流路１７は燃料循環流路１５に設けられているとしたが、これに限定されず、例えば図３に示す本実施形態の第２変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０のように、循環ポンプ１６を迂回すると共に、燃料供給装置１３とエゼクタ１４とを接続する燃料供給管５２に接続されるバイパス流路５３を設け、このバイパス流路５３に燃料分離器１９を配置してもよい。
この場合、循環ポンプ１６の下流側において燃料循環流路１５からバイパス流路５３へ分流された排出ガスは、第１の逆止弁２１を介して燃料分離器１９に導入され、燃料分離器１９にて分離された水素が第２の逆止弁２２を介して燃料供給管５２に導入されるようになっている。
これにより、エゼクタ１４の負荷（例えば、副流の吸い込み量等）を増大させること無しに、燃料電池１１のアノード３２に対する水素の循環量を増大させることができる。
【００４１】
また、上述した本実施の形態においては、バイパス流路１７に燃料分離器１９を配置するとしたが、これに限定されず、例えば図４に示す本実施形態の第３変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０のように、バイパス流路１７に燃料分離器１９を配置すると共に、燃料分離器１９とは異なる水素分離率、例えば燃料分離器１９よりも小さな水素分離率を有する第２の燃料分離器５４を循環ポンプ１６の下流側の燃料循環流路１５に設けてもよい。ここで、第２の燃料分離器５４は、例えば水素を選択的に透過させる水素選択透過膜５４ａを両側から挟み込むようにして配置されたガス導入室５４ｂと水素分離室５４ｃとを備えて構成され、ガス導入室５４ｂにバイパス流路１７が接続されている。
なお、水素分離率は水素を選択的に分離する能力に係るパラメータであって、例えば排出ガスに含まれる水素以外の物質（例えば、窒素等）が、分離された水素に混入する割合の逆数等とされ、水素分離率が大きくなるほど水素選択透過膜１９ａ，５４ａを透過して水素分離室１９ｃ，５４ｃへと流通する水素以外の不純物の量が減少し、水素分離室１９ｃ，５４ｃにおける水素濃度が上昇する。一方、水素分離率が小さくなるほど水素選択透過膜１９ａ，５４ａを透過して水素分離室１９ｃ，５４ｃへと流通する水素以外の不純物の量が増大し、水素分離室１９ｃ，５４ｃにおける水素濃度が低下する。
【００４２】
すなわち、この第３変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０において、燃料循環流路１５を流通する排出ガスは、先ず、第２の燃料分離器５４に導入され、相対的に小さな水素分離率の水素選択透過膜５４ａによっていわば粗く水素が選択分離され、選択分離された水素および水素選択透過膜５４ａを透過した適宜の量の不純物が、水素分離室５４ｃから循環ポンプ１６へと流通させられる。また、第２の燃料分離器５４のガス導入室５４ｂには水素選択透過膜５４ａを透過しなかった不純物が残留することから、この不純物と共に、ガス導入室５４ｂ内の排出ガスのうちの適宜の量がバイパス側ポンプ１８によってバイパス流路１７へと分流され、第１の逆止弁２１を介して燃料分離器１９へと流通させられる。
これにより、第２の燃料分離器５４のガス導入室５４ｂにおいていわば粗く濃縮された不純物は、燃料分離器１９のガス導入室１９ｂを介して排出弁２３から外部へと排出されるため、燃料循環流路１５を流通する排出ガスが水素選択透過膜５４ａを通過する際に生じる圧力損失が過剰に増大することを抑制しつつ、燃料循環流路１５において不純物の濃度が過剰に増大することを、より一層、確実に防止することができる。
【００４３】
なお、上述した本実施形態の第３変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０においては、第２の燃料分離器５４のガス導入室５４ｂにバイパス流路１７が接続されるとしたが、これに限定されず、例えば図５に示す本実施形態の第４変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０のように、第２の燃料分離器５４の水素分離室５４ｃにバイパス流路１７が接続されてもよい。
【００４４】
また、上述した本実施の形態においては、排出弁２３によりガス導入室１９ｂ内のガスを外部に排出するとしたが、これに限定されず、例えば図６に示す本実施形態の第５変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０のように、排出弁２３の下流側に燃焼器５５を備え、ガス導入室１９ｂ内のガスを燃焼器５５に導入してもよい。この燃焼器５５には、例えば制御装置２４により制御される流量調整弁５６を介して酸素を含む酸化剤ガスである空気が供給され、燃料分離器１９において分離されずにガス導入室１９ｂ内に残留し、燃焼器５５に導入された水素が燃焼させられる。
これにより、水素が外部に排出されてしまうことを防止すると共に、燃焼器５５にて発生した燃焼熱を、例えば燃料電池１１の暖機や車両の車室内の暖房等に利用することができる。
【００４５】
なお、上述した本実施の形態および第１〜第５の変形例において、燃料分離器１９は水素選択透過膜１９ａを備えるとしたが、これに限定されず、水素選択透過膜１９ａの替わりに、例えば適宜の電源からの電力供給によって水素を選択的に分離可能な電気化学的水素ポンプを備えて構成されてもよい。
また、上述した第３，第４の変形例において、第２の燃料分離器５４は、水素選択透過膜５４ａの替わりに、電気化学的水素ポンプを備えて構成されてもよい。
ここで、電気化学的水素ポンプは、例えば、プロトン導電性を有する固体電解質膜と、この固体電解質膜を両側から挟み込むガス拡散性の２つの電極部材とを備えて構成され、外部の電源から供給される電力により、一方の電極部材において水素をイオン化して固体電解質膜内を通過させ、他方の電極基材において水素イオンから水素を生成することによって、一方の電極部材に接触するガス中から水素を他方の電極部材側へと選択的に分離する。
【００４６】
この電気化学的水素ポンプにおいては、供給される通電量が大きくなることに伴い、分離される水素の量が増大するため、例えば、制御装置２４は、燃料電池１１に供給される反応ガスや燃料電池１１から排出される排出ガスの水素濃度が所定濃度以下になったときや、セル電圧が所定電圧以下になったときに、電気化学的水素ポンプへ導入する排出ガスの量を増大させると共に、電気化学的水素ポンプへ供給する通電量に対する電流指令値を増大させることで分離状態を制御する。
これにより、燃料分離器１９または第２の燃料分離器５４から燃料循環流路１５内に戻る水素の量が増大すると共に、燃料循環流路１５内に存在する水素以外の不純物の量が低減され、燃料循環流路１５内を流通する排出ガスの水素濃度が増大させられる。
【００４７】
なお、上述した本実施の形態および第１〜第５の変形例においては、燃料電池１１のアノード３２側の入口側配管４１および出口側配管４３に第１およひ第２の水素センサ４５，４６を備えるとしたが、これに限定されず、水素センサ４５，４６の替わりに、例えば窒素等の不純物の濃度を検出する不純物センサを備えてもよい。
【００４８】
なお、上述した本実施の形態および第１〜第５の変形例においては、第１および第２の逆止弁２１，２２を省略可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、循環流路における燃料の循環量が過剰に低下することを防止しつつ、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度が過剰に低下することを防止することができる。
さらに、請求項２に記載の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、循環流路における燃料の所望の循環量を確保するために要する循環ポンプの出力が過剰に増大することを防止することができる。
さらに、請求項３に記載の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、循環ポンプの出力を有効に利用して分岐流路に排出ガスを流通させることができる。
【００５０】
さらに、請求項４に記載の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、流通ポンプの駆動により、循環流路を流通する排出ガスのうち、燃料分離器へ供給される排出ガスの流量や圧力を適宜に変更することができ、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度を適切に制御することができる。
さらに、請求項５に記載の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、例えば燃料極に供給される燃料の供給圧力が変化した場合には、燃料分離器の下流側と上流側との間の圧力差を過渡的に増大させることができるため、燃料分離器において分離効率を高めることができる。
【００５１】
さらに、請求項６に記載の燃料電池システムによれば、燃料分離器に供給された排出ガスのうち、分離された燃料以外の不純物を外部に排出することによって、分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系において、不純物の濃度が過剰に増大することを防止することができる。
さらに、請求項７に記載の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、例えば燃料電池の発電状態や燃料電池から排出される排出ガスに含まれる燃料や燃料以外の物質の濃度等に応じて、分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系における不純物の濃度を適切に制御することができる。
【００５２】
さらに、請求項８に記載の燃料電池システムによれば、不純物排出流路を流通する不純物に燃料が含まれる場合であっても、燃料が外部に排出されてしまうことを防止することができる。しかも、燃料の燃焼により発生した熱を、例えば燃料電池に対する加温等に利用することができる。
さらに、請求項９に記載の燃料電池システムによれば、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度が過剰に低下することを、より一層、確実に防止することができる。しかも、循環流路を流通する排出ガスが定常的に第２の燃料分離器を通過する際の圧力損失が増大することを抑制し、循環流路における燃料の循環量が過剰に低下することを防止することができる。
【００５３】
さらに、請求項１１に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の状態に応じて、例えば分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系での燃料の濃度が所定濃度を超えて低下する虞があるか否かを判定することができ、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度を制御する際の制御方法の多様性を増大させることができる。
さらに、請求項１２に記載の燃料電池システムによれば、選択透過膜を備えて燃料分離器を構成することにより、燃料分離器の構成に要する費用を削減することができる。また、電気化学的ポンプを備えて燃料分離器を構成することにより、燃料分離器における圧力損失の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態の第１変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【図３】本実施形態の第２変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【図４】本実施形態の第３変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【図５】本実施形態の第４変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【図６】本実施形態の第５変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１０  反応ガス循環型燃料電池システム
１５  燃料循環流路（循環流路）
１７  バイパス流路（分岐流路）
１８  バイパス側ポンプ（流通ポンプ）
１９ａ  水素選択透過膜（選択透過膜）
２１  第１の逆止弁
２２  第２の逆止弁
２３  排出弁（制御弁）
２３ａ  排出管（不純物排出流路）
２４  制御装置（排出流量制御手段、分離制御手段）
３２  アノード（燃料極）
３３  カソード（酸素極）
４１  入口側配管（供給流路）
４３  出口側配管（排出流路）
４５  第１の水素センサ（濃度検出器）
４６  第２の水素センサ（濃度検出器）
４７  セル電圧検出器（状態検出手段）
５１  第２の燃料循環流路（分岐流路）
５２  燃料供給管（供給流路）
５３  バイパス流路（分岐流路）
【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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【図６】
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