(57)【要約】【課題】燃料ガスとして水素ガスを用い、アノード排ガスを燃料ガスとして循環させる燃料電池システムにおいて、アノード排ガス中の不純物濃度を抑えつつ、水素利用率の低下を抑える技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１０では、アノード排ガスは、アノード排ガス路４２を介して、燃料ガス供給路４０を通過する水素ガス中に加えられる。このとき、所定のタイミングで、アノード排ガスは、バイパス流路４８を経由して分離室２６に導かれる。分離室２６では、不純物濃度がより高い不純物リッチガスがアノード排ガスから分離される。分離した残りの不純物除去ガスは、燃料ガス供給路４０を通過する水素ガス中に加えられる。また、分離された不純物リッチガスは、外部に排出される。【選択図】        図１
2004186065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池のアノードに対して、水素ガス流路を介して水素ガスを供給する水素ガス供給部と、
前記水素ガス供給路を流れる水素ガスに対して、前記燃料電池から排出されるアノード排ガス中の水素を混合する水素ガス循環部と
を備え、
前記水素ガス循環部は、
前記アノード排ガスの少なくとも一部を、不純物濃度がより高い不純物リッチガスと不純物濃度がより低い不純物除去ガスとに分離する分離部と、
前記分離部が分離した不純物リッチガスを、前記燃料電池システムの外部に排出する排出部と、
前記不純物除去ガスを前記水素ガスに供給する不純物除去ガス供給部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記分離部は、水素と前記不純物との比重の違いを利用して、前記不純物リッチガスの分離を行なう
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記分離部は、
該分離部の上端部近傍に設けられ、前記水素ガス流路と連通可能な第１の開口部と、
前記分離部の下端部近傍に設けられ、前記排出部を介して前記外部と連通可能な第２の開口部と
を備え、
前記燃料電池システムは、
前記アノード排ガスが供給された前記分離部内において、より重い前記不純物リッチガスが下方側へ、より軽い前記不純物除去ガスが上方側へと分離される第１の運転モードと、
前記第１の開口部を介して前記分離部内からガスが流出するのに伴って、前記不純物除去ガスが前記水素ガスに供給される第２の運転モードと、
前記第２の開口部を介して前記分離部内からガスが流出するのに伴って、前記不純物リッチガスが前記外部に排出される第３の運転モードと
を利用して、前記不純物リッチガスの分離を行なう燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記水素ガス循環部は、
前記燃料電池から排出されるアノード排ガスをそのまま前記水素ガス流路に導くアノード排ガス路と、
前記アノード排ガス路から分岐して、前記分離部を経由して前記水素ガス流路に接続するように形成され、前記アノード排ガスを前記分離部へ導くと共に、前記不純物除去ガスを前記水素ガス流路に導くバイパス流路と、
前記アノード排ガス路を流れるアノード排ガスの少なくとも一部が前記バイパス流路を流れるように、前記アノード排ガスの流れを切り替える切り替え弁と
を備える燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記アノード排ガス中の不純物濃度を反映する情報を取得する蓄積情報取得部をさらに備え、
前記切り替え弁は、前記蓄積情報取得部が取得した情報に基づき、前記アノード排ガス中の不純物濃度が所定量を超えると判断されるときに、前記アノード排ガスが前記バイパス流路を流れるように、前記アノード排ガスの少なくとも一部の流れを切り替える
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または５記載の燃料電池システムであって、
前記排出部は、前記不純物リッチガスを外部に導く排出流路と、該排出流路に設けられた排気弁と、を備え、
前記燃料電池システムは、
前記アノード排ガス路と前記分離部とが連通しているときには、前記燃料電池の内部と前記分離室内部の圧力が、前記外部の圧力よりも高くなるように、前記水素ガス流路内の圧力が設定されており
前記バイパス流路と前記水素ガス流路との接続部と、前記分離部との間に、前記バイパス流路における前記不純物除去ガスの流れを遮断する遮断弁をさらに備え、
前記アノード排ガス路と前記分離部とが連通するように前記切り替え弁が制御される際に、前記遮断弁が閉状態となると共に、前記排気弁が開状態となる運転モードを有する
燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
（ａ）前記燃料電池のアノードに対して水素ガスを供給する工程と、
（ｂ）前記（ａ）工程でアノードに供給する水素ガスに対して、前記燃料電池から排出されるアノード排ガス中の水素を混合する工程と
を備え、
前記（ｂ）工程は、
（ｂ−１）前記アノード排ガスの少なくとも一部を、不純物濃度がより高い不純物リッチガスと不純物濃度がより低い不純物除去ガスとに分離する工程と、
（ｂ−２）前記（ｂ−１）工程で分離した不純物リッチガスを、前記燃料電池システムの外部に排出する工程と、
（ｂ−３）前記（ｂ−１）工程で分離した前記不純物除去ガスを、前記水素ガスに供給する工程と
を備える燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アノードから排出されるアノード排ガスをアノード側に循環させる循環路を有する燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池のアノード側に供給する燃料ガスとして、純度の高い水素ガスを用いる構成が知られている。このように燃料電池に水素ガスを供給する場合には、通常は、所望の電力を発電するために必要な水素量の理論量に比べて、より多くの量の水素ガスを供給する。これによって、発電効率を充分に高く維持することができる。また、このように過剰の水素ガスを供給することで、燃料電池内の燃料ガス流路内から、不純物を効率よく燃料電池外に排出することができる。なお、燃料ガス内の不純物とは、電気化学反応に伴って生じた水蒸気や、カソード側に酸化ガスとして供給された空気中の窒素等の、水素以外の成分をいう。これら水蒸気や窒素等の不純物は、燃料ガスである水素ガスにおいて充分な流速を確保することで、燃料電池外に排出することができる。
【０００３】
上記のように、アノード側に対して過剰量の水素ガスが供給されるときには、アノード排ガスには電気化学反応で使用されなかった水素ガスがかなり含まれる。そのため、従来、アノード側に供給する水素ガスに加えて、一旦燃料電池から排出されたアノード排ガスを再び電気化学反応に供する構成が知られており（例えば、特許文献１参照）、これによって水素の利用率の向上が図られている。上記特許文献１では、アノード排ガスを循環させることによってアノード排ガス中の不純物濃度が次第に上昇し、これによってアノードに供給する燃料ガス中の不純物濃度が望ましくない程度に高まるのを防ぐために、アノード排ガスの一部を外部に廃棄する構成が示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２２７１４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにアノード排ガスの一部を外部に廃棄すると、この廃棄の動作に伴って、不純物と共に、アノード排ガス中の水素も同時に排気してしまうことになる。水素の排気は、水素利用率の低下を引き起こす。そのため、このような水素利用率の低下を防止する構成が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料ガスとして水素ガスを用い、アノード排ガスを燃料ガスとして循環させる燃料電池システムにおいて、アノード排ガス中の不純物濃度を抑えつつ、水素利用率の低下を抑える技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池のアノードに対して、水素ガス流路を介して水素ガスを供給する水素ガス供給部と、
前記水素ガス供給路を流れる水素ガスに対して、前記燃料電池から排出されるアノード排ガス中の水素を混合する水素ガス循環部と
を備え、
前記水素ガス循環部は、
前記アノード排ガスの少なくとも一部を、不純物濃度がより高い不純物リッチガスと不純物濃度がより低い不純物除去ガスとに分離する分離部と、
前記分離部が分離した不純物リッチガスを、前記燃料電池システムの外部に排出する排出部と、
前記不純物除去ガスを前記水素ガスに供給する不純物除去ガス供給部と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
このような構成とすれば、アノード排ガスの少なくとも一部から不純物濃度がより高い不純物リッチガスを分離するため、アノード側に供給するガス（燃料ガス）中の不純物濃度が上昇しすぎるのを防ぐことができる。また、アノード排ガスから不純物リッチガスを分離した残りの不純物除去ガスを、アノードに供給する水素ガスに加えるため、不純物を除去することに起因して燃料電池システムにおける水素の利用効率が低下するのを抑えることができる。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記分離部は、水素と前記不純物との比重の違いを利用して、前記不純物リッチガスの分離を行なうこととしても良い。
【００１０】
このような構成としては、
前記分離部は、
該分離部の上端部近傍に設けられ、前記水素ガス流路と連通可能な第１の開口部と、
前記分離部の下端部近傍に設けられ、前記排出部を介して前記外部と連通可能な第２の開口部と
を備え、
前記燃料電池システムは、
前記アノード排ガスが供給された前記分離部内において、より重い前記不純物リッチガスが下方側へ、より軽い前記不純物除去ガスが上方側へと分離される第１の運転モードと、
前記第１の開口部を介して前記分離部内からガスが流出するのに伴って、前記不純物除去ガスが前記水素ガスに供給される第２の運転モードと、
前記第２の開口部を介して前記分離部内からガスが流出するのに伴って、前記不純物リッチガスが前記外部に排出される第３の運転モードと
を利用して、前記不純物リッチガスの分離を行なうことととしても良い。
【００１１】
このような場合には、所定の容器内にアノード排ガスを供給するという簡単な構成によって、容易に両者を分離することができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記水素ガス循環部は、
前記燃料電池から排出されるアノード排ガスをそのまま前記水素ガス流路に導くアノード排ガス路と、
前記アノード排ガス路から分岐して、前記分離部を経由して前記水素ガスの流路に接続するように形成され、前記アノード排ガスを前記分離部へ導くと共に、前記不純物除去ガスを前記水素ガス流路に導くバイパス流路と、
前記アノード排ガス路を流れるアノード排ガスの少なくとも一部が前記バイパス流路を流れるように、前記アノード排ガスの流れを切り替える切り替え弁と
を備えることとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、上記切り替え弁によって、燃料電池における発電量とは独立して、不純物リッチガスを分離する動作を制御することが可能となる。
【００１４】
このような燃料電池システムにおいて、
前記アノード排ガス中の不純物濃度を反映する情報を取得する蓄積情報取得部をさらに備え、
前記切り替え弁は、前記蓄積情報取得部が取得した情報に基づき、前記アノード排ガス中の不純物濃度が所定量を超えると判断されるときに、前記アノード排ガスが前記バイパス流路を流れるように、前記アノード排ガスの少なくとも一部の流れを切り替えることとしても良い。
【００１５】
これによって、不純物を除去する必要に応じて、無駄なく除去の動作を行なうことができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記排出部は、前記不純物リッチガスを外部に導く排出流路と、該排出流路に設けられた排気弁と、を備え、
前記燃料電池システムは、
前記アノード排ガス路と前記分離部とが連通しているときには、前記燃料電池の内部と前記分離室内部の圧力が、前記外部の圧力よりも高くなるように、前記水素ガス流路内の圧力が設定されており
前記バイパス流路と前記水素ガス流路との接続部と、前記分離部との間に、前記バイパス流路における前記不純物除去ガスの流れを遮断する遮断弁をさらに備え、
前記アノード排ガス路と前記分離部とが連通するように前記切り替え弁が制御される際に、前記遮断弁が閉状態となると共に、前記排気弁が開状態となる運転モードを有する
【００１７】
このような構成とすれば、遮断弁が閉状態となり排気弁が開状態となったときに、圧力の低い外部に分離部内からガスが排出されるのに伴って、分離室およびアノード排ガス路と連通する状態となる燃料電池内流路の圧力が低下する。そのため、燃料電池内流路に不純物が滞留しているときには、これの排出を促すことができる。
【００１８】
なお、本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法や、燃料電池システムを駆動用電源として搭載する車両などの形態で実現することが可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．不純物除去の動作：
Ｃ．第２の実施例：
Ｄ．変形例
【００２０】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施の形態である第１実施例の燃料電池システム１０の構成を表わす説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池２２の他、水素タンク２０，分離室２６，ブロワ２８，制御部３８を備えている。
【００２１】
水素タンク２０は、水素ガスを貯蔵する貯蔵装置であり、燃料ガス供給路４０を介して燃料電池２２に接続している。燃料ガス供給路４０において、水素タンク２０の近傍にはレギュレータ３０が設けられており、このレギュレータ３０によって、水素タンク２０から燃料電池２２に供給される水素ガス量が調節される。すなわち、水素タンク２０から燃料ガス供給路４０に対して供給された高圧の水素ガスが、レギュレータ３０によって所望の圧力に降圧される。水素タンク２０から供給される水素ガスの圧力は、例えば３５ＭＰａ以下とすることができる。このような高圧の水素ガスを、レギュレータ３０によって例えば２００ｋＰａ程度に降圧する。降圧後の圧力は、燃料電池２２に接続される負荷の大きさ等により適宜設定すればよい。レギュレータ３０で降圧された水素ガスは、燃料ガスとして燃料電池２２のアノード側に供給される。
【００２２】
分離室２６は、燃料電池２２から排出されたアノード排ガスから、不純物濃度がより高い不純物リッチガスを除去するための装置である。燃料電池２２において電気化学反応に供された残りのアノード排ガスは、アノード排ガス路４２に排出される。本実施例の燃料電池システム１０では、このアノード排ガス路４２は、燃料ガス供給路４０に接続しており、アノード排ガスは水素ガスに混合されて、再び電気化学反応に供される。分離室２６は、このようにアノード排ガスを循環させるためのアノード排ガス路４２から分岐して設けられたバイパス流路４８に設けられている。バイパス流路４８もまた燃料ガス供給路４０に接続しており、分離室２６で不純物リッチガスを除去された残りのガスも、燃料ガスである水素ガスに混合可能となっている。なお、バイパス流路４８は、アノード排ガス路４２から分岐して分離室２６にアノード排ガスを導く分離室導入路４４と、分離室２６と燃料ガス供給路４０とを接続する水素リッチガス流路４５とを備えている。
【００２３】
アノード排ガス路４２には、アノード排ガスを循環させるための水素循環ポンプ３６が設けられている。また、アノード排ガス路４２とバイパス流路４８との分岐部には、アノード排ガスの流れを切り替えるための切り替え弁３２が設けられている。切り替え弁３２は、アノード排ガスの流れを、メイン側とバイパス流路側とに切り替えることができる。すなわち、この切り替え弁３２を制御することにより、アノード排ガスがアノード排ガス路４２からそのまま燃料ガス供給路４０に導かれる状態（メイン側）と、アノード排ガスがバイパス流路４８を経由する状態（バイパス流路側）とを切り替えることができる。さらに、分離室２６において分離された不純物リッチガスを外部に排出するために設けられた排出流路４６には、排気弁３４が設けられている。
【００２４】
ブロワ２８は、酸化ガス供給路５０を介して燃料電池２２に空気を供給するための装置である。ブロワ２８の駆動状態によって、燃料電池２２に対して酸化ガスとして供給される空気量が調節される。ブロワ２８が取り込んだ空気は、酸化ガス供給路５０を介して燃料電池２２のカソード側に供給され、電気化学反応に供された後のカソード排ガスは、カソード排ガス路５２を介して外部に排出される。
【００２５】
燃料電池２２は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各々の単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池２２で生じた電力は、燃料電池２２に接続される所定の負荷に供給される。なお、燃料電池２２としては、上記した固体高分子型燃料電池の他、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。アノード側に水素ガスを燃料ガスとして供給する種類のものであれば適用可能である。
【００２６】
制御部３８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種信号を入出力する入出力ポート等を備える。そして、負荷要求に関する情報等を取得して、燃料電池システム１０を構成する各部（既述した各弁やブロワ等を含む）に駆動信号を出力し、燃料電池システム１０全体の運転状態を制御する。
【００２７】
Ｂ．不純物除去の動作：
アノード排ガスから不純物リッチガスを除去するための分離室２６における動作について説明する。アノード排ガス中の不純物とは、既述したように、電気化学反応に伴って生じた水蒸気や、カソード側に酸化ガスとして供給された空気中の窒素等が、微量ながら徐々に燃料ガス流路側に漏れ出したものを主体とする。なお、燃料電池２２として固体高分子型燃料電池以外の種類のものを用いる場合や、燃料電池２２を使用する環境によっては、他の成分が不純物としてアノード排ガス中に混入する場合もある。
【００２８】
分離室２６は、水素と不純物との比重の違いを利用して両者を分離するための装置であり、所定の容積を有する中空の容器状に形成されている。図２は、分離室２６の様子を模式的に表わす説明図である。切り替え弁３２を切り替えて、アノード排ガス路４２とバイパス流路４８とを連通させると、アノード排ガスが分離室導入路４４を経由して分離室２６内に流入する。このようにアノード排ガスが供給された分離室２６内の圧力は、外部よりも高くなる。そのため、排出流路４６に設けた排気弁３４を開状態にすると、分離室２６内と外部との圧力差によって、分離室２６内の気体が外部に排出される。なお、分離室２６は、その上端部近傍において水素リッチガス流路４５に対して開口しており、この開口部４５ａおよび水素リッチガス流路４５とを介して、燃料ガス供給路４０と連通している。また、分離室２６は、その下端部近傍において、排出流路４６との接続部４６ａを有している。さらに、分離室２６では、上記排出流路４６との接続部４６ａと上記開口部４５ａとの中間位置の壁面において、分離室導入路４４と分離室２６との接続部４４ａが設けられている。
【００２９】
図３は、本実施例の燃料電池システム１０において、分離室２６を用いてアノード排ガスから不純物リッチガスを除去するために、切り替え弁３２と排気弁３４とを制御する動作を表わす図である。本実施例では、切り替え弁３２が所定の時間間隔で切り替えられて、アノード排ガスの流れがバイパス流路４８を経由する状態としない状態とが切り替えられる。また、上記切り替え弁３２の切り替えの動作とは異なるタイミングで、排気弁３４の開閉が行なわれる。
【００３０】
排気弁３４が閉じられ、切り替え弁３２がバイパス流路側に切り替えられるとき（図３にＴａと示した期間）の分離室２６内の様子を、図４（Ａ）に示す。図４では、各弁において、気体が流通可能な方向を白い三角で、気体の流通が遮断されている方向を黒い三角で表わしている。図４（Ａ）に示すように、期間Ｔａでは、分離室２６内にアノード排ガスが供給され、分離室２６からは燃料ガス供給路４０に向かって内部のガスが流れ出す。なお、後述するように、切り替え弁３２が切り替えられて期間Ｔａとなる時点では、分離室２６内では、少なくともその上方領域に水素リッチガスが存在する状態となっている。また、切り替え弁３２が切り替えられて分離室２６にアノード排ガスが流入すると、流入したアノード排ガスは、分離室２６の上端部近傍に設けられた開口部に向かって流れる。したがって、分離室２６では、内部に流入したアノード排ガスによって分離室２６の上方に存在する水素リッチガスが押し出されて、押し出された水素リッチガスは燃料ガス供給路４０を流れる水素ガス中に混合される。
【００３１】
その後、切り替え弁３２が図３に示すメイン側に切り替えられて、アノード排ガスがバイパス流路４８を経由しない状態となったとき（図３にＴｂと示した期間）の分離室２６内の様子を、図４（Ｂ）に示す。図４（Ｂ）に示すように、期間Ｔｂでは、切り替え弁３２および排気弁３４が閉じられた状態となり、期間Ｔａにおいて分離室２６内に流れ込んだアノード排ガスは、分離室２６内で静置される状態となる。そのため、比重のより軽い水素をより多く含むガスは分離室２６の上方へ、比重のより重い不純物をより多く含むガスは分離室２６の下方へ、と移動する。そして、分離室２６内では、水素をより多く含む水素リッチガスが上方に存在し、不純物をより多く含む不純物リッチガスが下方に存在する状態となる。
【００３２】
さらに、排気弁３４を所定期間開状態にするとき（図３にＴｃと示した期間）の分離室２６内の様子を、図４（Ｃ）に示す。図４（Ｃ）に示すように、期間Ｔｃでは、排気弁３４を開状態とすることで、所定の高圧状態となっている分離室２６内から、より圧力の低い外部に向かって、排出流路４６を介して気体が排出される。ここで、既述したように分離室２６において排出流路４６との接続部は下端部近傍に設けられており、分離室２６内の下方には不純物リッチガスが存在することにより、分離室２６から排出される気体は、不純物リッチガスとなる。また、分離室２６の上端部近傍に設けられた開口部は燃料ガス供給路４０に連通しているため、このとき燃料ガス供給路４０側から分離室２６に向かって水素ガスが吸い込まれる。このように、不純物リッチガスが外部に排出され、燃料ガス供給路４０側から水素ガスが吸い込まれることで、分離室２６内は、より水素リッチな状態となる。
【００３３】
期間Ｔｃの後は、一旦排気弁３４が閉じられて、分離室２６におけるガスの出入りが無い状態となる。このとき、分離室２６内では、その上方領域を中心に広く水素リッチガスが存在する状態となる。そして、再び切り替え弁３２が切り替えられて、上記期間ＴａからＴｃまでの動作が所定の時間間隔で繰り返される。なお、既述した期間Ｔａにおいて、分離室２６から燃料ガス供給路４０に向かって流れ出すガスは、分離室２６へ供給されたアノード排ガスから不純物リッチガスを分離した残りの不純物除去ガスと、期間Ｔｃにおいて燃料ガス供給路４０側から分離室２６内に吸い込まれた水素ガスとを含有している。このように、切り替え弁３２の切り替えと排気弁３４の開閉を繰り返すことで、燃料ガス供給路４０を通過する水素ガスに対して分離室２６から水素リッチガスが供給される動作と、分離室２６から外部に不純物リッチガスが排出される動作とが繰り返し行なわれる。
【００３４】
なお、上記期間Ｔａ〜Ｔｃの時間、すなわち、切り替え弁３２を切り替える間隔および排気弁３４の開閉のタイミングは、水素リッチガスと不純物リッチガスとの分離の動作や、水素リッチガスあるいは不純物リッチガスの排出の動作が良好に行なわれるように、適宜設定すればよい。例えば、分離室２６の容積や、アノード排ガスの流量や、燃料ガス供給路４０を通過する水素ガスの流量に加えて、分離室２６と外部との圧力差等を考慮して設定すればよい。本実施例では、図３に示すように、切り替え弁３２の切り替えは、バイパス流路４８を経由しない状態を３０ｓｅｃ継続し、バイパス流路４８を経由する状態を１００ｍｓｅｃ継続する動作を繰り返すように行なっている。
【００３５】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、アノード排ガスを、分離室２６において水素リッチガスと不純物リッチガスとに分離し、不純物リッチガスは排気しつつ水素リッチガスは再び電気化学反応に供している。このように不純物リッチガスを排気することにより、燃料電池２２に供給する燃料ガス中の不純物濃度が上昇しすぎてしまうのを防ぐことができる。また、分離した水素リッチガスは燃料ガス供給路４０に戻すため、不純物を除去することに起因して燃料電池システム１０における水素の利用効率が低下するのを抑えることができる。
【００３６】
さらに、本実施例では、アノード排ガスを水素リッチガスと不純物リッチガスとに分離する動作を、両者の比重を利用して行なっているため、容器内でガスを静置するという簡単な構成により容易に両者の分離をおこなうことができる。
【００３７】
分離室２６においてアノード排ガスから分離した不純物リッチガスは、外部に排出することとしたが、種々の態様が可能である。排出される不純物リッチガスにおける水素濃度が充分に低ければ、そのまま大気中に放出することとしても良い。あるいは、さらに充分に水素濃度を希釈した後に大気中に放出することとしても良い。充分に水素を希釈するために、例えば、排出流路４６を、カソード排ガス路５２に接続し、不純物リッチガスをカソード排ガスで希釈した後に大気中に排出する構成も好ましい。あるいは、燃料電池システム１０と共に設けられる装置が、燃焼反応を進行する熱源を備える場合には、分離室２６から排出された不純物リッチガスを上記熱源に供給し、燃焼反応のための燃料として用いることとしても良い。切り替え弁３２側が閉じられた状態で排気弁３４を開いたときに、不純物リッチガスが良好に排出されるように、分離室２６との間で充分な圧力差があれば、既述した動作を行なうことができる。
【００３８】
Ｃ．第２の実施例：
図５は、本発明の第２実施例の燃料電池システム１１０の構成を表わす説明図である。第２実施例の燃料電池システム１１０は、水素リッチガス流路４５にバイパスシャット弁１３８が設けられている点が第１実施例と異なるだけであり、他の構成は第１実施例と同じである。
【００３９】
図６は、燃料電池システム１１０において、アノード排ガス中の不純物を除去するために各弁が制御される様子を表わす説明図である。本実施例では、切り替え弁３２および排気弁３４と共に、バイパスシャット弁１３８の開閉動作の制御が行なわれる。
【００４０】
切り替え弁３２がバイパス流路側に切り替えられると共に、バイパスシャット弁１３８を開状態とし、排気弁３４を閉状態とするとき（図６にＴａと示した期間）の分離室２６内の様子を、図７（Ａ）に示す。図７（Ａ）に示すように、期間Ｔａでは、分離室２６内にアノード排ガスが供給され、分離室２６からは燃料ガス供給路４０に向かって分離室２６内のガスが流れ出す。ここで、切り替え弁３２が切り替えられて期間Ｔａとなる時点では、分離室２６内では、後述するように、その上方領域に水素リッチガスが存在し、その下方領域に不純物リッチガスが存在する状態となっている。また、切り替え弁３２が切り替えられて分離室２６にアノード排ガスが流入すると、流入したアノード排ガスは、分離室２６の上端部近傍に設けられた開口部に向かって流れる。したがって、分離室２６では、内部に流入したアノード排ガスによって分離室２６の上方に存在する水素リッチガスが押し出されて、押し出された水素リッチガスは燃料ガス供給路４０を流れる水素ガス中に混合される。その際、分離室２６内の下方領域は、上記したガスの流れの影響を受けにくいため、不純物リッチガスは、全体として、下方領域に保持される。
【００４１】
その後、バイパスシャット弁１３８を閉じると共に排気弁３４を所定の時間開状態とするとき（図６にＴｂと示した期間）の分離室２６内の様子を、図７（Ｂ）に示す。図７（Ｂ）に示すように、期間Ｔｂでは、排気弁３４が開状態となることで、分離室２６の下方領域に保持された不純物リッチガスが、排出流路４６を介して外部に排出される。このとき、分離室２６は、期間Ｔａから引き続いてアノード排ガス路４２と連通する状態となっている。そのため、分離室２６がより圧力の低い外部と連通することで、分離室２６にはアノード排ガスが流入し、このアノード排ガスの流れによって不純物リッチガスは外部に押し出される。
【００４２】
その後、切り替え弁３２がメイン側に切り替えられると共に排気弁３４が閉じられたとき（図６にＴｃと示した期間）の分離室２６内の様子を、図７（Ｃ）に示す。図７（Ｃ）に示すように、期間Ｔｃでは、切り替え弁３２と排気弁３４とバイパスシャット弁１３８がすべて閉じられた状態となり、期間Ｔｂにおいて分離室２６内に流れ込んだアノード排ガスは、分離室２６内で静置される状態となる。そのため、比重のより軽い水素をより多く含むガスは分離室２６の上方へ、比重のより重い不純物をより多く含むガスは分離室２６の下方へ、と移動する。そして、分離室２６内では、水素をより多く含む水素リッチガスが上方に存在し、不純物をより多く含む不純物リッチガスが下方に存在する状態となる。
【００４３】
期間Ｔｃの後は、再び切り替え弁３２が切り替えられると共にバイパスシャット弁１３８が開状態となって、上記期間ＴａからＴｃまでの動作が所定の時間間隔で繰り返される。なお、既述した期間Ｔａにおいて、分離室２６から燃料ガス供給路４０に向かって流れ出すガスは、分離室２６へ供給されたアノード排ガスにおいて不純物リッチガスが下方に分離された残りの不純物除去ガスということができる。このように、切り替え弁３２の切り替えと、弁３４，１３８の開閉を繰り返すことで、燃料ガス供給路４０を通過する水素ガスに対して分離室２６から水素リッチガスが供給される動作と、分離室２６から外部に不純物リッチガスが排出される動作とが繰り返し行なわれる。
【００４４】
ここで、上記期間Ｔａ〜Ｔｃの時間、すなわち、切り替え弁３２を切り替える間隔と、排気弁３４およびバイパスシャット弁１３８の開閉のタイミングは、水素リッチガスと不純物リッチガスとの分離の動作や、水素リッチガスあるいは不純物リッチガスの排出の動作が良好に行なわれるように、適宜設定すればよい。例えば、分離室２６の容積や、アノード排ガスの流量や、燃料ガス供給路４０を通過する水素ガスの流量に加えて、分離室２６と外部との圧力差等を考慮して設定すればよい。本実施例では、図６に示すように、切り替え弁３２の切り替えは、バイパス流路４８を経由しない状態を３０ｓｅｃ継続し、バイパス流路４８を経由する状態を２００ｍｓｅｃ継続する動作を繰り返すように行なっている。
【００４５】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池システム１１０によれば、第１実施例の燃料電池システム１０と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施例では、燃料電池スタック内から不純物を排出する効率を向上させる効果も得られる。これは、本実施例の燃料電池システム１１０において、バイパスシャット弁１３８を設け、このバイパスシャット弁１３８を閉じることで、分離室２６から不純物リッチガスを排出する際に分離室２６内にアノード排ガスを流入させることによる。そのため、分離室２６から不純物リッチガスを排出する動作に伴って、燃料電池２２内の燃料ガスの流速を速めることができ、このような動作によって、燃料電池スタック内に滞留する不純物を排出させる効果を高めることができる。
【００４６】
なお、上記第１および第２の実施例において、分離室２６およびアノード排ガスが流れる流路の配管は、アノード排ガス中に不純物として含まれる水蒸気が凝縮しない程度に、充分に高温に保たれることが望ましい。このためには、例えば、分離室２６を燃料電池２２の近傍に設ける等により、燃料電池２２で生じた熱を分離室２６やアノード排ガスの流路に伝達可能とすればよい。分離室２６内やアノード排ガスの流路内で水蒸気が凝縮する場合には、液水を排出するための構造を設ける必要が生じることが考えられるが、上記分離室２６などを充分に高温に保ち凝縮を防ぐことで、不純物の一種である水蒸気を気体の状態で扱い続けることができる。そのため、気体を分離室２６内に貯留する動作と、弁の開閉動作という簡単な構成により、容易に不純物を外部に排出することが可能となる。
【００４７】
また、分離室２６は、縦長（鉛直方向の長さが水平方向の幅よりも長い）形状とすることが望ましい。これにより、アノード排ガスを静置して、水素と不純物との比重の違いにより両者を分離する動作を、より効率良く行なうことができる。
【００４８】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４９】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、分離室２６は、水素と不純物との比重の違いを利用して両者を分離することとしたが、アノード排ガスの少なくとも一部から不純物濃度がより高い不純物リッチガスを分離する動作を、異なる方法で行なう分離部を設けることとも可能である。例えば、パラジウムを含み水素を選択的に透過させる水素透過膜を備える分離部を用いることとしても良い。この場合には、水素透過膜を透過した純度の高い水素ガスをアノード側に供給し、不純物を含む残りのガスを外部に排出することとすればよい。
【００５０】
あるいは、水素吸蔵合金を用いて分離部を構成することも可能である。この場合には、アノード排ガス中の水素を水素吸蔵合金に吸蔵させ、不純物を含む残りのガスを外部に放出すればよい。その後、水素吸蔵合金から水素ガスを取り出し、アノード側に供給すればよい。
【００５１】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、図３および図６で説明したように、予め定めた所定の時間間隔で、分離室２６による不純物除去の動作を繰り返し行なっているが、分離室２６を用いて不純物を除去するタイミングは、種々の変形が可能である。
【００５２】
例えば、切り替え弁３２をメイン側に切り替えている時間の長さは、分離室２６内において、アノード排ガスが、水素リッチガスと不純物リッチガスとに充分に分離するのに要する長さを基準に設定することができる。あるいは、上記メイン側に切り替えている長さを、アノード排ガスを循環させる動作を継続した場合に燃料ガス中の不純物濃度が望ましくない程度に高くなると推定される長さを基準に設定することとしても良い。すなわち、予め、アノード排ガス中で不純物が増加する速度を測定してデータとして記憶しておき、許容範囲を超える量の不純物がアノード排ガス中に蓄積されると推測される時間が経過したときに、除去の動作を行なえばよい。
【００５３】
あるいは、発電量の積算値が所定量となったときに、不純物除去の動作を行なうこととしても良い。発電量の増加と共に水の生成量が増加して、不純物である水蒸気量も増えるため、発電量に基づいて不純物の蓄積状態を推定することができる。
【００５４】
上記したアノード排ガスを循環させる動作を継続する長さや、発電量の積算値は、アノード排ガス中の不純物濃度を反映する情報ということができる。このような情報として、アノード排ガス中の不純物の濃度（例えば水蒸気濃度）を直接検出し、不純物濃度が所定の濃度を超えたときに、除去のための動作を行なうこととしても良い。この場合には、例えばアノード排ガス路に湿度センサを設け、この検出値に基づいて水蒸気濃度を判断すればよい。あるいは、アノード排ガス路に水素濃度センサを設け、アノード排ガス中の水素濃度を検出して、水素濃度が所定値以下になったときに、不純物濃度が所定の濃度を超えたと判断して、除去の動作を行なうこととしても良い。
【００５５】
不純物除去の動作は、常に行なうこととしても良い。しかしながら、上記のように不純物除去の動作に先立って所定の条件を満たすか否か（不純物除去の動作が必要か否か）を判断することとすれば、不純物を除去する必要に応じて、無駄なく除去の動作を行なうことができる。特に、不純物を除去するために既述した水素透過膜を備える分離部を用いる場合には、必要なときにだけ除去の動作を行なうことで、分離部の耐久性を向上させることができる。
【００５６】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、切り替え弁３２を切り替えて、所定のタイミングでアノード排ガスの流れを全てバイパス流路４８側に切り替えたが、切り替え弁３２によって、アノード排ガスの一部をバイパス流路４８側に供給することとしても良い。バイパス流路４８に供給するアノード排ガス量を、レギュレータ３０が調節する水素ガス流量と共に制御することで、不純物分離の動作と、燃料電池２２に供給する燃料ガス量とを、それぞれ互いに独立して調節することが可能となる。
【００５７】
Ｄ４．変形例４：
また、既述した実施例では、アノード排ガス路４２からバイパス流路４８を分岐させ、このバイパス流路４８に分離室２６を設けたが、バイパス流路を設けずに、アノード排ガス路に分離部を設けることとしても良い。すなわち、アノード排ガスをアノード側に循環させる際に、常に分離部を経由して循環させる構成とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の燃料電池システム１０の構成を表わす説明図である。
【図２】分離室２６の様子を模式的に表わす説明図である。
【図３】不純物リッチガスを除去するために切り替え弁３２と排気弁３４とを制御する動作を表わす図である。
【図４】分離室２６内の様子を表わす説明図である。
【図５】第２実施例の燃料電池システム１１０の構成を表わす説明図である。
【図６】アノード排ガス中の不純物を除去するために各弁が制御される様子を表わす説明図である。
【図７】分離室２６内の様子を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０…燃料電池システム
２０…水素タンク
２２…燃料電池
２６…分離室
２８…ブロワ
３０…レギュレータ
３２…切り替え弁
３４…排気弁
３６…水素循環ポンプ
３８…制御部
４０…燃料ガス供給路
４２…アノード排ガス路
４４…分離室導入路
４５…水素リッチガス流路
４６…排出流路
４８…バイパス流路
５０…酸化ガス供給路
５２…カソード排ガス路
１３８…バイパスシャット弁
【図１】
2004186065.tif 000003
【図２】
2004186065.tif 000004
【図３】
2004186065.tif 000005
【図４】
2004186065.tif 000006
【図５】
2004186065.tif 000007
【図６】
2004186065.tif 000008
【図７】
2004186065.tif 000009