(57)【要約】【課題】  燃料電池システムにおいて、燃料ガス中の不純物による発電能力の低下を防止し、システム全体として発電能力を高めることを目的とする。【解決手段】本発明に係る燃料電池システムは、複数の燃料電池（Ａ〜Ｃ）を備える。各燃料電池の燃料ガス系は、燃料ガス流路（３６ａ、３６ｂ）によって、直列に連結されている。前記燃料ガス流路（３６ａ、３６ｂ）には、水素ガスのみを選択的に透過する水素透過手段として、水素分離膜（１０ａ、１０ｂ）が設けられている。したがって、前記水素分離膜（１０ａ、１０ｂ）より下流の燃料電池には、窒素、水分等の不純物を含まない水素ガスのみが供給される。この結果、下流の燃料電池も上流の燃料電池と同様の高い発電能力を発揮できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
水素ガスを含む燃料ガスが流れる内部燃料ガス流路と、酸化ガスが流れる内部酸化ガス流路とを有する第１および第２の燃料電池と、
前記第１の燃料電池の前記内部燃料ガス流路と、前記第２の燃料電池の前記内部燃料ガス流路とを連通する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路に配置され、前記水素ガスのみを選択的に透過する水素透過手段とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池システムであって、
水素ガスを含む燃料ガスが流れる内部燃料ガス流路と、酸化ガスが流れる内部酸化ガス流路とを有する複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池間に配置され、前記複数の燃料電池を直列に連結すると共に、前記複数の燃料電池のうち一の燃料電池の前記内部燃料ガス流路と、前記一の燃料電池と隣り合う燃料電池の前記内部燃料ガス流路とを連通する複数の燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路の少なくとも一つに配置され、前記水素ガスのみを選択的に透過する水素透過手段とを備え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において、
前記直列に連結された複数の燃料電池のうち最も下流側に位置する燃料電池は、前記内部燃料ガス流路から排出された排出ガスを循環させない閉状態で運転され、
前記燃料電池システムはさらに、
前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記直列に連結された複数の燃料電池のうち一方の端部に位置する燃料電池の前記内部燃料ガス流路と一端が連通する第１の燃料ガス供給路と、
前記直列に連結された複数の燃料電池のうち他方の端部に位置する燃料電池の前記内部燃料ガス流路と一端が連通する第２の燃料ガス供給路と、
前記第１の燃料ガス供給路の他端と、前記第２の燃料ガス供給路の他端とのいずれか一方を前記燃料ガス供給手段と連通させる燃料供給方向切換手段とを備え、
前記燃料供給方向切換手段は、所定条件を満たした場合に燃料供給方向を切換える燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素透過手段は、各燃料電池間を連結する前記燃料ガス流路の全てに備える燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素透過手段より上流側の前記燃料ガス流路に配置され、前記水素透過手段より上流側において前記燃料ガス流路に滞留する不純物を外部へ排出する不純物排出手段を備える燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記不純物排出手段は、所定条件を満たした場合に前記不純物を排出する燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素透過手段は、水素分離膜である燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素透過手段は、
触媒を両面に配置した陽イオン交換膜と、
前記陽イオン交換膜の両面に直流電圧を印加することで、前記陽イオン交換膜の高電位面側から低電位面側へ水素ガスを透過させる電圧印加手段である燃料電池システム。
【請求項９】
膜−電極アッセンブリとセパレータを有し、水素ガスを含む燃料ガスと酸化ガスとから電力を生成する燃料電池であって、
前記セパレータに形成された燃料ガス供給口と、
前記セパレータに形成された燃料ガス排出口と、
前記燃料ガス供給口と前記燃料ガス排出口とに連通し、前記セパレータと前記膜−電極アッセンブリとの間に形成された内部燃料ガス流路と、
前記内部燃料ガス流路に配置され、前記水素ガスのみを選択的に透過する水素透過手段とを備える燃料電池。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池であって、
前記水素透過手段より上流側の内部燃料ガス流路に配置され、前記水素透過手段より上流側において燃料ガス流路に滞留する不純物を外部へ排出する不純物排出手段を備える燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池であって、
前記不純物排出手段は、所定条件を満たした場合に前記不純物を排出する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池システムに関し、特に燃料極における不純物による発電性能の劣化防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極に供給される水素ガス等の燃料ガスと空気極に供給される空気等の酸化ガスとの電池反応により電力を生成する。この電池反応中に酸化ガス中の窒素や加湿用の水分、あるいは反応生成水が空気極から電解質膜を透過して燃料極側へと浸み出してくる。これらの窒素や水分は、燃料ガスの燃料極への供給、電解質膜上の触媒と燃料ガスとの良好な接触を阻害するので電池反応が円滑に行われなくなり、燃料電池の発電能力の低下を招くおそれがある。
【０００３】
このため、所定のタイミングで、燃料電池中の燃料ガスを、窒素および水分等の不純物（以下、不純物という。）と共に排出し、新たな燃料ガスと入れ替えることが行われているが、不純物と共に未反応水素を含む燃料ガスまで排出されるため、燃料ガスの利用効率が低いという問題があった。この問題を解決するために、複数の燃料電池を備える技術が知られている（特許文献１参照）。この技術では、主燃料電池において発電に使用された結果、窒素や水分の濃度が高くなった燃料極からの排出ガスを副燃料電池の燃料極に供給し、排出ガス中の未反応水素で副燃料電池スタックの発電を行っている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−７７５０６
【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、上記技術に係る燃料電池システムでは、副燃料電池中の燃料ガスは、主燃料電池中において空気極から透過してきた不純物と、副燃料電池スタック中において空気極から透過してきた不純物とを含むので、大量の不純物を含む状態になる。したがって、副燃料電池スタックにおいて効率の良い発電は期待できず、燃料電池システム全体としては発電能力が低くなる問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、システム全体として発電能力を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、燃料電池システムを提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、水素ガスを含む燃料ガスが流れる内部燃料ガス流路と、酸化ガスが流れる内部酸化ガス流路とを有する第１および第２の燃料電池と、前記第１の燃料電池の前記内部燃料ガス流路と、第２の燃料電池の前記内部燃料ガス流路とを連通する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に配置され、前記水素ガスのみを選択的に透過する水素透過手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムでは、第１の燃料電池の燃料極から排出された排出ガス（以下、アノードオフガスともいう。）は、燃料ガス流路を通って、第２の燃料電池に燃料ガスとして供給されるが、アノードオフガス中の不純物は、燃料ガス流路に配置された水素透過手段を透過できず、第２の燃料電池には水素透過手段を透過した水素ガスのみが供給される。この結果、第２の燃料電池は、水素ガスを水素タンク等から直接供給された場合と同等の発電能力を発揮することが可能となり、システム全体として発電能力を高めることができる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、燃料電池システムを提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、水素ガスを含む燃料ガスが流れる内部燃料ガス流路と、酸化ガスが流れる内部酸化ガス流路とを有する複数の燃料電池と、前記複数の燃料電池間に配置され、前記複数の燃料電池を直列に連結すると共に、前記複数の燃料電池のうち一の燃料電池の前記内部燃料ガス流路と、前記一の燃料電池と隣り合う燃料電池の前記内部燃料ガス流路とを連通する複数の燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路の少なくとも一つに配置され、前記水素ガスのみを選択的に透過する水素透過手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムでは、直列に連結された複数の燃料電池のうち水素透過手段が配置された燃料ガス流路から燃料ガスが供給される燃料電池には、不純物を含まない水素ガスのみが供給される。この結果、水素ガス透過手段より下流の燃料電池は、水素透過手段よりすぐ下流の燃料電池に水素ガスを水素タンク等から直接供給した場合と同等の発電能力を発揮できるため、システム全体として発電能力が高くなる。
【００１１】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記直列に連結された複数の燃料電池のうち最も下流側に位置する燃料電池は、前記内部燃料ガス流路から排出された排出ガスを循環させない閉状態で運転され、前記燃料電池システムはさらに、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記直列に連結された複数の燃料電池のうち一方の端部に位置する燃料電池の前記内部燃料ガス流路と一端が連通する第１の燃料ガス供給路と、前記直列に連結された複数の燃料電池のうち他方の端部に位置する燃料電池の前記内部燃料ガス流路と一端が連通する第２の燃料ガス供給路と、前記第１の燃料ガス供給路の他端と、前記第２の燃料ガス供給路の他端とのいずれか一方を前記燃料ガス供給手段と連通させる燃料供給方向切換手段とを備え、前記燃料供給方向切換手段は、所定条件を満たした場合に燃料供給方向を切換えるようにしても良い。
【００１２】
かかる場合には、燃料供給方向を切換えることによって、最も下流側に位置する燃料電池を最も上流側に位置する燃料電池とすることができるので、切換前に最も下流側に位置した燃料電池内の燃料ガスを流動させることができる。この結果、閉状態で運転されることにより不純物が滞留しやすい最も下流側に位置する燃料電池に、不純物が滞留し続けることを防ぎ、発電能力の低下を防止することができる。
【００１３】
上記燃料電池システムにおいて、前記水素透過手段は、各燃料電池間を連結する前記燃料ガス流路の全てに備えるようにしても良い。かかる場合には、燃料電池システム中の全ての燃料電池に、必ず水素ガスのみが燃料ガスとして供給される。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、前記水素透過手段より上流側の前記燃料ガス流路に配置され、前記水素透過手段より上流側において前記燃料ガス流路に滞留する不純物を外部へ排出する不純物排出手段を備えるのが好ましい。かかる場合には、水素透過手段を透過できない不純物が水素透過手段より上流の燃料電池の燃料極に滞留することに起因する燃料電池の発電能力の低下を防止し、長時間安定した燃料電池の運転を実現することができる。
【００１５】
なお、前記不純物排出手段は、所定条件を満たした場合に前記不純物を排出するのが好ましい。かかる場合には、滞留する不純物と一緒に排出される水素ガス量を低減することが可能となり、水素ガスの利用効率を高めることができる。
【００１６】
上記燃料電池システムにおいて、前記水素透過手段は、水素分離膜であっても良い。かかる場合には、水素分離膜によって、簡便に不純物を分離して水素ガスのみを下流に供給することができる。
【００１７】
上記燃料電池システムにおいて、前記水素透過手段は、触媒を両面に配置した陽イオン交換膜と、前記陽イオン交換膜の両面に直流電圧を印加することで、前記陽イオン交換膜の高電位面側から低電位面側へ水素ガスを透過させる電圧印加手段であっても良い。かかる場合には、水素分子は陽イオンとなって、陽極側（高電位側）から陰極側（低電位側）へ、イオン交換膜を透過できるが、不純物は透過できない。この結果、水素ガスのみを下流に供給することができる。
【００１８】
本発明の第３の態様は、膜−電極アッセンブリとセパレータを有し、水素ガスを含む燃料ガスと酸化ガスとから電力を生成する燃料電池を提供する。本発明の第３の実施例に係る燃料電池は、前記セパレータに形成された燃料ガス供給口と、前記セパレータに形成された燃料ガス排出口と、前記燃料ガス供給口と前記燃料ガス排出口とに連通し、前記セパレータと前記膜−電極アッセンブリとの間に形成された内部燃料ガス流路と、前記内部燃料ガス流路に配置され、前記水素ガスのみを選択的に透過する水素透過手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
かかる場合には、セパレータに形成された燃料ガス流路内に配置された水素透過手段より下流には水素ガスのみが供給されるので、水素透過手段より下流における燃料電池の発電能力の低下を防止することができる。
【００２０】
本発明の第３の態様に係る燃料電池において、前記水素透過手段より上流側の燃料ガス流路に配置され、前記水素透過手段より上流側において燃料ガス流路に滞留する不純物を外部へ排出する不純物排出手段を備えるのが好ましい。こうすれば、水素透過手段を透過できない不純物が水素透過手段より上流側の燃料電池の燃料極に滞留することに起因する燃料電池の発電能力の低下を防ぐことができる。
【００２１】
なお、前記不純物排出手段は、所定条件を満たした場合に前記不純物を排出するようにするのが好ましい。こうすれば、滞留する不純物と一緒に排出される水素ガス量を低減することが可能となり、水素ガスの利用効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る燃料電池および燃料電池システムについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．構成：
Ａ−２．動作：
Ａ−３．効果：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．変形例：
【００２３】
Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．構成：
図１を参照して、第１の実施例に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、本実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例に係る燃料電池システムは、３つの燃料電池Ａ〜Ｃと、燃料ガス（本実施例においては水素ガス）供給手段である水素タンク５と、図示しない酸化ガス（本実施例においては空気）供給手段と、制御装置１００とを備えている。
【００２４】
燃料電池Ａ〜Ｃは、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。これらの燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（以下、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）ともいう。）を導電性のセパレータによって挟んで形成される単電池（セル）を複数積層したものである。ＭＥＡは、電解質膜１と、電解質膜の両面に配置された電極からなる。両面に配置された電極のうち、一方が燃料極２であり、他方が空気極３である。図１中には、図を見やすくするため、燃料電池について、電解質膜１、燃料極２、空気極３のみを示している。
【００２５】
燃料電池Ａ〜Ｃ内には、燃料極２に燃料ガスを供給する内部燃料ガス流路７ａ、７ｂ、７ｃ、と、空気極３に酸化ガスを供給する内部酸化ガス流路８ａ、８ｂ、８ｃとが形成されている。
【００２６】
燃料ガス供給経路および排出経路（以下、燃料ガス系という。）は、直列に連結されている。すなわち、水素タンク５と、最も上流に位置する燃料電池Ａの内部燃料ガス流路７ａの一端とは、燃料ガス供給路３３によって接続されている。一方、燃料電池Ａの内部燃料ガス流路７ａの他端と、燃料電池Ｂの内部燃料ガス流路７ｂの一端とは、燃料ガス流路３６ａによって接続され、燃料電池Ｂの内部燃料ガス流路７ｂの他端と、燃料電池Ｃの内部燃料ガス流路７ｃの一端とは、燃料ガス流路３６ｂによって接続されている。燃料電池Ｃの内部燃料ガス流路７ｃの他端には、外部と連通するアノードオフガス排出路３７ｃが接続されている。つまり、水素タンク５から直接燃料極に燃料ガスが供給されるのは、最も上流に位置する燃料電池Ａのみであり、燃料電池Ｂの燃料極には、燃料電池Ａのアノードオフガスが、燃料電池Ｃの燃料極には、燃料電池Ｂのアノードオフガスがそれぞれ燃料ガスとして供給されるように構成されている。
【００２７】
燃料ガス流路３６ａ、燃料ガス流路３６ｂには、それぞれ水素分離膜１０ａ、１０ｂが配置されている。水素分離膜については後に説明する。水素分離膜１０ａより上流側の燃料ガス流路３６ａにはアノードオフガス排出路３７ａが接続され、水素分離膜１０ｂより上流側の燃料ガス流路３６ｂにはアノードオフガス排出路３７ｂが接続されている。
【００２８】
アノードオフガス排出路３７ａ、３７ｂ、３７ｃには、それぞれｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃが設けられている。ｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、制御装置１００によって制御され、アノードオフガス排出路３７ａ、３７ｂ、３７ｃの開閉状態を切換える。
【００２９】
酸化ガス供給経路および排出経路（以下、酸化ガス系という。）は公知の構成を備えている。燃料電池Ａ〜Ｃの内部酸化ガス流路８ａ、８ｂ、８ｃの一端と、図示しない酸化ガス供給手段とは、それぞれ酸化ガス供給路４０ａ、４０ｂ、４０ｃによって接続され、燃料電池Ａ〜Ｃの内部酸化ガス流路８ａ、８ｂ、８ｃの他端は、外部と連通するカソードオフガス排出路４１ａ、４１ｂ、４１ｃが接続されている。これらによって、酸化ガスは、酸化ガス供給手段から各燃料電池Ａ〜Ｃの空気極に供給され、各燃料電池Ａ〜Ｃの空気極からの排出ガス（カソードオフガス）は、外部に排出される。
【００３０】
各燃料電池Ａ、Ｂ、Ｃの発電電力は、図示しないインバータ等の電気負荷に出力され、車両駆動用のモータの駆動等に用いられる。
【００３１】
水素分離膜１０ａ、１０ｂは、水素のみを選択的に透過し、他の物質は透過させない性質を有する膜である。水素分離膜１０ａ、１０ｂとしては、たとえば、パラジウム合金系水素分離膜、芳香族ポリイミド等の高分子系水素分離膜、金属ガラス箔を利用した水素分離膜、微細孔を有する多孔質膜を使用できる。
【００３２】
Ａ−２．動作：
図２を参照して、本実施例に係る燃料電池システムの動作について説明する。図２は本実施例に係る燃料電池システムの動作を示す説明図である。図２中の燃料電池については、説明の便宜のため電解質膜１と、電解質膜１の一方の面に配置された燃料極２と、他方の面に配置された空気極３のみを示す。
【００３３】
燃料電池Ａの燃料極２に供給される燃料ガスと、空気極３に供給される酸化ガスとが反応して発電が行われる。発電反応中には、酸化ガスと燃料ガス間における不純物の濃度勾配によって、酸化ガス中の不純物が、空気極側から電解質膜を透過して燃料極側へと浸み出し、燃料ガスに混入する。したがって、燃料電池Ａのアノードオフガス中には、未反応水素ガスと共に、これらの不純物が含まれる。
【００３４】
燃料電池Ａと燃料電池Ｂとを連結する燃料ガス流路３６ａ上には、水素分離膜１０ａが配置されており、燃料電池Ａのアノードオフガスは水素分離膜１０ａによって水素ガスと不純物とに分離される。すなわち水素分離膜１０ａが有する水素に対する選択的透過作用により、燃料電池Ａのアノードオフガス中の水素ガスは、水素分離膜１０ａを透過し、燃料ガス流路３６ａを通じて、燃料電池Ｂの燃料極に供給される。一方、燃料電池Ａのアノードオフガス中の不純物は、水素分離膜１０ａを透過できず、水素分離膜１０ａより上流側において燃料ガス流路３６ａに滞留する。
【００３５】
この結果、燃料電池Ｂに供給される燃料ガスは、不純物が取り除かれた水素ガスのみとなる。また、取り除かれた不純物は、水素分離膜１０ａより上流側の燃料ガス流路３６ａに集められる。
【００３６】
ｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ａは、制御装置１００によって制御され、所定条件を満たした時に、所定時間開状態にされる。ｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ａが開状態の時に、上述した水素分離膜１０ａより上流側の燃料ガス流路３６ａに集められた不純物を含む燃料ガスが、アノードオフガス排出路３７ａを通って外部に排出される。
【００３７】
所定条件、および所定時間は、不純物と共に排出される水素ガスを極力減らし、かつ、不純物が内部燃料ガス流路７ａにまで達し、燃料電池Ａの発電能力を低下させる程大量に滞留しないように決定される。たとえば、実験により、不純物による燃料電池Ａの出力電圧に低下が生じる時間間隔についてデータを作成し、これに基づいて算出された最適な時間間隔でｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ａを開閉しても良い。あるいは、電圧センサにより燃料電池Ａの出力電圧をモニターし、出力電圧に実質的な低下を生じさせないようにｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ａを開閉しても良い。
【００３８】
以上、燃料電池Ａと燃料電池Ｂ間の燃料ガス系の動作ついて説明したが、燃料電池Ｂと燃料電池Ｃ間の燃料ガス系も同様である。
【００３９】
最も下流側に位置する燃料電池Ｃのアノードオフガス排出路３７ｃ上に配置されたｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ｃは、制御装置１００によって制御され、通常は閉状態とされているが、所定条件を満たした時に、所定時間開状態にされる。ｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ｃが開状態である時に、燃料電池Ｃのアノードオフガスが外部に排出される。この所定条件、および所定時間は、燃料電池Ｃにおいて、燃料ガスの不純物濃度が高くなり、出力電圧に実質的な低下を生じさせないように決定される。たとえば、上述したｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ａと同様に、最適な時間間隔で開閉しても良いし、出力電圧のモニター結果に基づいて開閉しても良い。
【００４０】
Ａ−３．効果：
以上のように構成された第１の実施例に係る燃料電池システムによれば、３つの燃料電池Ａ、Ｂ、Ｃの燃料ガス系が直列に連結されているため、最も下流側の燃料電池Ｃを閉状態で運転しても、上流の燃料電池Ａ、Ｂ内の燃料ガスの流動性を確保できる。また、燃料電池Ａ内の燃料ガスの流動性は、燃料電池Ｂ内の燃料ガスよりさらに高くなる。これは、下流の燃料電池に供給される燃料ガスは、すべて上流の燃料電池内を通るため、上流の燃料電池は自身で消費した水素ガス量に下流の燃料電池で消費された水素ガス量を加えた分の燃料ガスが供給されるからである。この結果、燃料電池Ａ、Ｂの燃料極に不純物が滞留することを防止し、燃料電池Ａ、Ｂの発電能力の低下を防止できる。
【００４１】
さらに、各燃料電池間に設けられた水素分離膜１０ａ、１０ｂは、水素ガスのみを選択的に透過するため、水素分離膜１０ａ、１０ｂの下流には、水素ガスのみが供給される。この結果、下流の燃料電池Ｂ、Ｃは、水素ガスを水素タンク５から直接供給される場合と同等の高い発電能力を発揮し、システム全体として高い発電能力を発揮できる。
【００４２】
また、水素分離膜１０ａ、１０ｂの上流側に滞留する不純物濃度の高いガスが適切なタイミングで排出されるため、滞留する不純物が水素分離膜より上流側の燃料電池の燃料極にまで達し、燃料電池の発電能力を低下することを防止すると共に、不純物と一緒に排出される水素ガス量を低減することが可能となる。この結果、燃料電池システムは、燃費効率が向上し、かつ、長時間に渡り安定して高い発電能力を発揮できる。
【００４３】
Ｂ．第２の実施例：
図３を参照して、第２の実施例に係る燃料電池システムについて説明する。図３は、本実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第１の実施例に係る燃料電池システムと共通の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４４】
本実施例に係る燃料電池システムは、順方向燃料ガス供給路３４と、逆方向燃料ガス供給路３５と、切換バルブ２６を備え、燃料ガスの供給方向を順方向（矢印Ｙ１方向）と逆方向（矢印Ｙ２方向）とに切換えることができる。すなわち、順方向燃料ガス供給路３４の一端は、第１の実施例に係る燃料電池システムと同様に燃料電池Ａの内部燃料ガス流路７ａの一端に接続されている。一方、逆方向燃料ガス供給路３５の一端は、燃料電池Ｃの内部燃料ガス流路７ｃの一端に接続されている。順方向燃料ガス供給路３４の他端と、逆方向燃料ガス供給路３５の他端は、切換バルブ２６に接続されている。切換バルブ２６はさらに、燃料ガス供給路３３によって、水素タンク５と接続されている。切換バルブ２６は、制御装置１００によって制御され、燃料ガスの供給方向の切換を行う。
【００４５】
また、本実施例に係る燃料電池システムにおいては、水素分離膜（１０ａ，１０ｂ）の両側にアノードオフガス排出路（３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂ）が配置されている。それぞれのアノードオフガス排出路にはｏｎ／ｏｆｆバルブ（２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ）が設けられ、制御装置１００によって開閉状態を制御できるようになっている。
【００４６】
次に、図４および図５を参照して、第２の実施例に係る燃料電池システムの動作について説明する。図４は、切換バルブ２６により順方向（矢印Ｙ１方向）に燃料ガスが流れる状態となっている場合（以下、順方向時という。）における本実施例に係る燃料電池システムの動作を示す説明図である。図５は、切換バルブ２６により逆方向（矢印Ｙ２方向）に燃料ガスが流れる状態となっている場合（以下、逆方向時という。）における本実施例に係る燃料電池システムの動作を示す説明図である。
【００４７】
順方向時における本実施例に係る燃料電池システムの動作は、第１の実施例に係る燃料電池システムの動作と同様である。順方向時には、ｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ａ、およびｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ｂが、制御装置１００によって、適切なタイミングで開状態とされ、不純物濃度の高いガスを外部に排出する。一方、ｏｎ／ｏｆｆバルブ２４ａ、およびｏｎ／ｏｆｆバルブ２４ｂは、常に閉状態にされる。
【００４８】
逆方向時においては、順方向時に最も上流側であった燃料電池Ａは最も下流側になり、順方向時に最も下流側であった燃料電池Ｃは最も上流側になる。図５に示すように、燃料電池Ｂのアノードオフガスが、燃料ガスとして燃料電池Ａに供給されることになる。燃料電池Ｂのアノードオフガス中の不純物は、水素分離膜１０ａより逆方向時上流側（順方向時下流側）の燃料ガス流路３６ａに滞留する。燃料電池Ｂと燃料電池Ｃ間においても同様である。
【００４９】
逆方向時には、ｏｎ／ｏｆｆバルブ２４ａ、およびｏｎ／ｏｆｆバルブ２４ｂが、制御装置１００によって、適切なタイミングで開状態とされ、不純物濃度の高いガスを外部に排出する。一方、ｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ａ、およびｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ｂは、常に閉状態にされる。
【００５０】
なお、順方向時であっても、逆方向時であっても、最も下流側の燃料電池のアノードオフガス排出路は閉状態になる。すなわち、順方向時は、逆方向燃料ガス供給路３５が最も下流側の燃料電池Ｃのアノードオフガスの排出路に、逆方向時は、順方向燃料ガス供給路３４が最も下流側の燃料電池Ａのアノードオフガスの排出路に相当することになるが、いずれも切換バルブ２６によって閉状態とされる。
【００５１】
順方向時と逆方向時との切換は、所定条件を満たした時に行われる。所定条件は、たとえば、第１の実施例において、ｏｎ／ｏｆｆバルブ２２ｃを開状態とする条件と同じ条件を使用できる。すなわち、所定条件は、最も下流側に位置する燃料電池において、燃料ガスの不純物濃度が高くなり、出力電圧に実質的な低下を生じさせないように決定される。たとえば、最適な時間間隔で切換えても良いし、出力電圧のモニター結果に基づいて切換えても良い。
【００５２】
以上のように構成された第２の実施例に係る燃料電池システムによれば、第１の実施例に係る燃料電池システムと同様の効果に加えて、以下の効果を有する。
【００５３】
本実施例に係る燃料電池システムでは、燃料供給方向を切換えることによって、最も下流側に位置する燃料電池を最も上流側に位置する燃料電池とすることができるので、切換前に最も下流側に位置した燃料電池内の燃料ガスを流動させることができる。この結果、閉状態で運転されることにより不純物が滞留しやすい最も下流側に位置する燃料電池に、不純物が滞留し続けることを防ぎ、発電能力の低下を防止することができる。
【００５４】
また、最も下流側に位置する燃料電池の燃料ガス中の不純物も、燃料ガス供給方向切換後に水素分離膜の上流側に集められ、不純物濃度の高いガスとして外部に排出される。したがって、不純物と一緒に排出される水素ガス量をより低減することが可能になる。以上の効果により、本実施例に係る燃料電池システムでは、より燃料ガスの利用効率が良く、かつ、高い発電能力を安定して発揮することができる。
【００５５】
Ｃ．第３の実施例：
図６および図７を参照して、第３の実施例に係る燃料電池について説明する。本実施例に係る燃料電池は、第１の実施例、および第２の実施例に係る燃料電池システムに使用する燃料電池同様、固体高分子型燃料電池である。図６は、本実施例に係る燃料電池の単電池（セル）の概略構成を示す説明図である。
【００５６】
本実施例に係る固体高分子電解質型燃料電池は、図６に示すような膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）４と、ＭＥＡ４を挟んで対向する一対のセパレータ５０ａ、５０ｂとで構成される単電池（セル）６０の積層体からなる。
【００５７】
ＭＥＡ４は電解質膜１と、電解質膜１の一面に配置された燃料極２と、電解質膜１の他面に配置された空気極３から構成される。
【００５８】
ＭＥＡ４の燃料極２側に対向するセパレータ５０ａの対向面には、燃料極２に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路５７が形成され、空気極３側に対向するセパレータ５０ｂの対向面には、空気極３に酸化ガス（通常は空気）を供給するための酸化ガス流路５８が形成されている。また、セパレータ５０ａ、５０ｂには、ＭＥＡ４との対向面の裏面に、冷媒を流すための冷媒流路５５が形成されている。
【００５９】
図７は、ＭＥＡ４の燃料極２側に対向するセパレータ５０ａをＭＥＡ４との対向面側からみた正面概略図である。図７に示すように、燃料ガス流路５７は、燃料ガス供給口５３ａから供給された燃料ガスがＭＥＡ４と対向する発電領域を通って、燃料ガス排出口５３ｂから排出されるように形成されている。
【００６０】
燃料ガス流路５７の発電領域を通る部分より下流側で、燃料ガス排出口５３ｂより上流側には、水素分離膜１０が配置されている。水素分離膜１０の上流には、アノードオフガス排出路３７が接続され、アノードオフガス排出路３７の他端は外部と連通している。アノードオフガス排出路３７には、ｏｎ／ｏｆｆバルブ２２が設けられている。ｏｎ／ｏｆｆバルブ２２は、制御装置１００により制御され、開閉状態を切換えられる。
【００６１】
本実施例に係る燃料電池中を流れる燃料ガス中の水素ガスは、水素分離膜１０を透過して、燃料ガス排出口５３ｂから排出される。排出された水素ガスは、他の燃料電池の燃料ガスとして、あるいは、循環システムによって同じ燃料電池の燃料ガスとして再び使用される。一方、燃料ガス中の不純物は、水素分離膜１０を透過できず、水素分離膜１０の上流に滞留する。
【００６２】
ｏｎ／ｏｆｆバルブ２２は、制御装置１００により制御され、所定条件を満たした時に、所定時間開状態とされる。この結果、上述した水素分離膜１０の上流に滞留する不純物は、アノードオフガス排出路３７から排出される。この所定条件、および所定時間は、不純物と一緒に排出される水素ガス量を極力減らし、かつ、燃料電池の出力電圧に実質的な低下を生じさせないように決定される。たとえば、実施例１に係るoｎ／ｏｆｆバルブ２２ａと同様に、最適な時間間隔で開閉しても良いし、出力電圧のモニター結果に基づいて開閉しても良い
【００６３】
以上のように構成された第３の実施例に係る燃料電池によれば、セパレータ５０ａに形成された燃料ガス流路５７上に水素透過手段として水素分離膜１０を備えるため、燃料ガス中の不純物が水素分離膜１０より下流に排出されることを防止できる。この結果、この燃料電池の排出ガスには水素ガスのみが含まれ、この排出ガスを燃料ガスとして使用する燃料電池は、水素タンクから水素ガスを直接供給される場合と同等の高い発電能力を発揮できる。
【００６４】
さらに、燃料ガス中の不純物を水素分離膜１０の上流に集め、適切なタイミングで排出路３７から外部に排出することができるため、水素分離膜１０を透過できない不純物が燃料電池の燃料極に滞留することに起因する燃料電池の発電能力の低下を防ぐと共に、不純物と一緒に排出される水素ガス量を低減することが可能となり、水素ガスの利用効率を高めることができる。
【００６５】
Ｄ．変形例：
以下、いくつかの変形例について説明する。
【００６６】
上述した３つの実施例では、水素ガスのみを選択的に透過する水素透過手段として水素分離膜を使用しているが、代わりに触媒を両面に配置した陽イオン交換膜と、陽イオン交換膜の両面に直流電圧を印加する電圧印加手段を使用しても良い。
【００６７】
図８は、この変形例に係る水素透過手段の概略構成を示す説明図である。図８は、第１の実施例において、燃料電池Ａの内部燃料ガス流路７ａと、燃料電池Ｂの内部燃料ガス流路７ｂとの間を接続する燃料ガス流路３６ａ上に、水素分離膜１０ａに代えて本変形例に係る水素透過手段を配置した例を示している。陽イオン交換膜７０の両面には、触媒７２が配置されている。陽イオン交換膜７０の両面に電位差が生じるように、電圧印加手段７５によって、直流電圧が印加される。この時、電圧は上流側（不純物を含む燃料ガスが流入する側）の電位が、下流側（水素ガスが透過してくる側）の電位よりも高くなるように印加される。印加される電圧は、０．３〜０．７Ｖ（ボルト）程度が好ましい。
【００６８】
上述のように電圧が印加されると、上流側の触媒７２上において、水素分子は、酸化されて水素イオン（陽イオン）となり、陽イオン交換膜７０を透過する。そして、下流側の触媒７２上において、透過した水素イオンは、還元されて再び水素分子となる（図８参照）。この現象を、電気化学反応式で示すと以下のようになる。
上流側（高電位側）：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−
下流側（低電位側）：２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２
この結果、水素分子は上流から下流へ透過する。
【００６９】
一方、窒素分子および水分子は、陽イオンとはならないため、陽イオン交換膜７０を透過できない。すなわち、陽イオン交換膜７０は水素ガスのみを選択的に透過する水素透過手段として機能する。なお、第２の実施例において、水素分離膜に代えて本変形例に係る水素透過手段を用いる場合は、燃料ガス供給方向の切換と同時に、陽イオン交換膜７０への電圧印加方向も逆転させる制御をする。本変形例では、電圧印加方向によって、水素ガスが透過する方向が決定されるからである。
【００７０】
陽イオン交換膜７０、および、その両面に配置された触媒７２には、たとえば、炭化水素系陽イオン交換膜の両面に触媒層を配置した固体高分子電解質型燃料電池に使用する膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）と同じ構成を使用できる。
【００７１】
上述した３つの実施例では、燃料電池システムは、高圧の水素ガスが貯蔵された水素タンク５を燃料ガス供給手段として備えているが、これに代えて、水素吸蔵合金から水素ガスを得る燃料ガス供給手段を備えるようにしても良い。また、燃料ガス供給手段は、アルコールや、天然ガス、ガソリン、エーテル、アルデヒドなどを改質して、水素ガスを含む燃料ガスを生成するようにしても良い。
【００７２】
上記実施例では、固体高分子型の燃料電池に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、他のタイプの燃料電池にも適用可能である。
【００７３】
なお、本発明は、燃料電池システムの燃料ガス系に特徴を有するものである。したがって、燃料電池システムの酸化ガス系、発電電力を出力する電気負荷部等は、いかなる構成も用いることができることはいうまでもない。例えば、第１の実施例に係る燃料電池システムにおいて、酸化ガス系は、燃料ガス系と同様に、燃料電池Ａ、Ｂ、Ｃの内部酸化ガス流路８ａ、８ｂ、８ｃを酸化ガス流路によって直列に連結してもよい。かかる場合は、一端に位置する燃料電池の内部酸化ガス流路にのみ酸化ガス供給手段を接続し、他端に位置する燃料電池の内部酸化ガス流路にのみ外部と連通するカソードオフガス排出路を接続する。
【００７４】
以上、いくつかの実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】第１の実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施例に係る燃料電池システムの動作を示す説明図である。
【図３】第２の実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図４】第２の実施例に係る燃料電池システムの動作を示す第１の説明図である。
【図５】第２の実施例に係る燃料電池システムの動作を示す第２の説明図である。
【図６】第３の実施例に係る燃料電池の単電池（セル）６０の概略構成を示す説明図である。
【図７】第３の実施例に係る燃料電池におけるＭＥＡ４の燃料極側に対向するセパレータ５０ａをＭＥＡ４との対向面側からみた正面概略図である。
【図８】本発明の変形例に係る水素透過手段の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７６】
１…電解質膜
２…燃料極
３…空気極
４…ＭＥＡ
５…水素タンク
７ａ、７ｂ、７ｃ…内部燃料ガス流路
８ａ、８ｂ、８ｃ…内部酸化ガス流路
１０、１０ａ、１０ｂ…水素分離膜
２２、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ…ｏｎ／ｏｆｆバルブ
２６…切換バルブ
３３…燃料ガス供給路
３４…順方向燃料ガス供給路
３５…逆方向燃料ガス供給路
３６、３６ａ、３６ｂ…燃料ガス流路
３７、３７ａ〜３７ｃ、３８ａ、３８ｂ…アノードオフガス排出路
４０ａ〜４０ｃ…酸化ガス供給路
４１ａ〜４１ｃ…カソードオフガス排出路
５０ａ、５０ｂ…セパレータ
５１ａ…酸化ガス供給口
５１ｂ…酸化ガス排出口
５２ａ…冷媒供給口
５２ｂ…冷媒排出口
５３ａ…燃料ガス供給口
５３ｂ…燃料ガス排出口
５５…冷媒流路
５７…燃料ガス流路（セパレータ内）
５８…酸化ガス流路（セパレータ内）
６０…単電池（セル）
７０…陽イオン交換膜
７２…触媒
７５…電圧印加手段
１００…制御装置
【図１】
2005166515.tif 000003
【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】
2005166515.tif 000008
【図７】
2005166515.tif 000009
【図８】
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