(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池から排出された未反応水素を少ないエネルギーで燃料電池に再循環でき、または、安全に処理して系外に排出できる水素供給システム、および前記水素供給システムを備えた燃料電池システムの提供。【解決手段】水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池に水素を供給する水素供給システムであって、前記燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路２２と、前記燃料電池で反応しなかった未反応水素の少なくとも一部を前記燃料電池のアノード側に戻す水素戻し流路２３とを有し、前記水素戻し流路２３には、水素を電気化学的に移送する電気化学的水素ポンプ２４が介装されてなる水素供給システム、前記水素供給システムと燃料電池とを備える燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池に水素を供給する水素供給システムであって、
前記燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路と、
前記燃料電池で反応しなかった未反応水素の少なくとも一部を前記燃料電池のアノード側に戻す水素戻し流路と、
を有し、
前記水素戻し流路には、水素を電気化学的に移送する電気化学的水素ポンプが介装されてなることを特徴とする水素供給システム。
【請求項２】
水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池に水素を供給する水素供給システムであって、
前記燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路と、
前記燃料電池で反応しなかった未反応水素を前記燃料電池のアノード側に戻す水素戻し流路と、
前記水素戻し流路を流通する水素の少なくとも一部をパージする水素パージ流路とを
有し、
前記水素パージ流路には、パージされた水素の少なくとも一部を電気化学的に移送して前記燃料電池のアノード側に戻す電気化学的水素ポンプが設けられてなることを特徴とする水素供給システム。
【請求項３】
前記水素戻し流路は、前記水素供給流路に接続されてなる請求項１または２に記載の水素供給システム。
【請求項４】
前記燃料電池は固体高分子型燃料電池である請求項１〜３の何れか１項に記載の水素供給システム。
【請求項５】
前記燃料電池の負荷に応じて前記電気化学的水素ポンプに供給する電力量を制御して水素の移送量を増減させる請求項１〜４の何れか１項に記載の水素供給システム。
【請求項６】
前記パージ流路は、パージされた水素を貯留するバッファタンクに接続されてなるとともに、
前記バッファタンク内の圧力がある設定圧力以上のときは前記電気化学的水素ポンプによって前記バッファタンク内の水素を前記燃料電池のアノード側に戻す請求項２〜５の何れか１項に記載の水素供給システム。
【請求項７】
前記水素供給流路は、水素容器から前記燃料電池のアノード側に水素を供給する流路であって前記水素容器から供給された水素の圧力を調整するレギュレータが介装され、
前記水素戻し流路は、前記水素供給流路における前記レギュレータよりも下流側に接続されてなる請求項１〜５の何れか１項に記載の水素供給システム。
【請求項８】
前記電気化学的水素ポンプは、アノードとカソードとこれらの間に配設された電解質層とからなり、前記未反応水素またはパージ水素をアノード側に供給し、前記アノードとカソードとに電圧を印加することにより、前記未反応水素またはパージ水素を前記アノードからカソードに向かって移送する請求項１〜７の何れか１項に記載の水素供給システム。
【請求項９】
前記電気化学的水素ポンプの電解質層は固体高分子電解質からなる請求項８に記載の水素供給システム。
【請求項１０】
水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池に水素を供給する水素供給システムであって、
前記燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路と、
前記燃料電池において未反応の水素を系外に排出する未反応水素排出流路とを
備え、
前記未反応水素排出流路には、系外に排出される水素の少なくとも一部を電気化学的に酸化させる電気化学的反応器が介装されてなることを特徴とする水素供給システム。
【請求項１１】
水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池に水素を供給する水素供給システムであって、
前記燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路と、
前記燃料電池で反応しなかった未反応水素を前記燃料電池のアノード側に戻す水素戻し流路と、
前記水素戻し流路を流通する水素の少なくとも一部をパージする水素パージ流路とを
有し、
前記水素パージ流路には、パージ水素の少なくとも一部を電気化学的に酸化させる電気化学的反応器が設けられてなることを特徴とする水素供給システム。
【請求項１２】
前記パージ流路は、パージされた水素を貯留するバッファタンクに接続されてなるとともに、
前記バッファタンク内の圧力がある設定圧力以上のときは、バッファタンク内のパージ水素を前記電気化学的反応器に導入して電気化学的に酸化させる請求項１１に記載の水素供給システム。
【請求項１３】
前記燃料電池は固体高分子型燃料電池である請求項１０〜１２の何れか１項に記載の水素供給システム。
【請求項１４】
前記電気化学的反応器は、アノードとカソードとこれらの間に配設された電解質層とからなり、未反応水素またはパージ水素をアノード側に、空気または酸素をカソード側に供給するとともに、前記アノードとカソードとに電圧を印加して供給された水素を空気または酸素と反応させるか、または水素を空気または酸素と反応させて発電を行なう請求項１０〜１３の何れか１項に記載の水素供給システム。
【請求項１５】
前記電気化学的反応器の電解質層は固体高分子電解質からなる請求項１４に記載の水素供給システム。
【請求項１６】
水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池のアノード側に水素を供給する請求項１〜１５の何れか１項に記載の水素供給システムと、
前記燃料電池のカソード側に空気を供給する空気供給流路とを
備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池は複数のセルを積層したスタックであり、電気化学的水素ポンプまたは電気化学的反応器は、前記燃料電池スタック内部に組み込まれてなる請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
電気化学的水素ポンプは、前記燃料電池から排出される未反応水素の濃度または量に応じて電気化学的反応器としても動作する請求項１６または１７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、水素供給システムおよび燃料電池システムに関し、特に、水素を燃料とする燃料電池に好適に使用される水素供給システム、および前記水素供給システムを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気浮上型のリニアモータ車両においては、空調や照明などに使用する車上電源は電磁誘導を利用した誘導集電装置で非接触集電することが検討されている（特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、リニアモータ車両が低速走行中は誘導集電装置では充分な電力が得られないので、低速走行中の電源を賄うための補助バッテリーを搭載する必要がある。
【０００４】
しかしながら、補助バッテリーでは容量に限界があり、とくにダイヤの乱れが生じたときには長時間電力を供給できないという問題があった。
【０００５】
リニアモータ車両の車上電源システムとしては、他にはガスタービン発電システムがあるが、ガスタービン発電システムは、運転中に煤塵や炭酸ガスを排出するので、トンネル内で使用するには環境上、問題が大きい。
【０００６】
そこで、車上電源システムとして、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池が検討された。
【０００７】
固体高分子型燃料電池は、比較的低温で運転するので始動時間が短く、軽量、コンパクトであり、騒音も小さい。また、燃料として水素を使用する故に、水以外の生成物の量は極めて少ないから、排気ガスは、ガスタービン発電システムに比較して遥かに清浄である。
【特許文献１】特開平８−１８６９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、固体高分子型燃料電池においては、供給された水素は、全て消費されるわけではなく、一部は、未反応水素として系外に排出される。
【０００９】
ここで、磁気浮上式のリニアモータ鉄道の一部は、トンネル内に設けられると考えられるから、トンネル内に停止中および走行中のリニアモータ車両から未反応の水素ガスを排出することは安全上好ましくない。
【００１０】
上記問題の解決策としては、機械式ポンプを用いて未反応水素を燃料電池に循環させて再利用する方法が考えられるが、所要動力が大きいという問題がある。
【００１１】
また、未反応水素を循環使用していると水素中の不純物が蓄積して燃料電池の性能が低下するから、間歇的に水素ガスをパージする必要がある。
【００１２】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、燃料電池から排出された未反応水素を少ないエネルギーで燃料電池に再循環でき、または、安全に処理して系外に排出できる水素供給システム、および前記水素供給システムを備え、リニアモータ車両の車上電源システムとして好適な燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池に水素を供給する水素供給システムであって、前記燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路と、前記燃料電池で反応しなかった未反応水素の少なくとも一部を前記燃料電池のアノード側に戻す水素戻し流路とを有し、前記水素戻し流路には、水素を電気化学的に移送する電気化学的水素ポンプが介装されてなることを特徴とする水素供給システムに関する。
【００１４】
前記水素供給システムにおいては、電気化学的水素ポンプにおいて水素を電気化学的に搬送している。
【００１５】
したがって、前記水素供給システムは、静的な水素回収システムであるから機械的ポンプのような可動部分がない。したがって構成が単純で故障が少なく、殆ど無音で運転できる。また、未反応水素を搬送するのに等温圧縮をしているから、エネルギー消費も少ない。
【００１６】
前記水素供給システムにおいては、未反応水素の少なくとも１部を燃料電池の水素極側に戻せばよく、必ずしも未反応水素を全量戻す必要はない。
【００１７】
電気化学的水素ポンプは、水素を電気化学的に移送する機能を有するポンプであれば、どのようなものでも使用できる。
【００１８】
前記水素供給システムが使用できる燃料電池としては、たとえば固体高分子形燃料電池が挙げられるが、水素を燃料とする燃料電池であれば、固体高分子形燃料電池には限定されない。
【００１９】
また、未反応水素を電気化学的水素ポンプによって燃料電池の水素供給側に戻す態様には、水素供給流路に戻す態様と燃料電池の水素極側に直接に戻す態様とがある。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池に水素を供給する水素供給システムであって、前記燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路と、前記燃料電池で反応しなかった未反応水素を前記燃料電池のアノード側に戻す水素戻し流路と、前記水素戻し流路を流通する水素の少なくとも一部をパージする水素パージ流路とを有し、前記水素パージ流路には、パージされた水素の少なくとも一部を電気化学的に移送して前記燃料電池のアノード側に戻す電気化学的水素ポンプが設けられてなることを特徴とする水素供給システムに関する。
【００２１】
燃料電池においては、未反応水素を系外に排出させずにアノード側に循環させることにより、水素の節約を図る場合がある。しかし、只単に未反応水素を循環させたのでは、水素中の不純物が蓄積して燃料電池の性能が低下する。そこで、循環水素の一部をパージすると同時に新鮮な水素を補充し、水素中の不純物がアノード側に蓄積しないようにしている。
【００２２】
しかしながら、燃料電池をリニアモータ車両の車上電源として使用する場合においては、リニアモータ車両はトンネル内にも停車、走行することがあるから、パージした水素を希釈せずにそのまま車外に排出するのは安全上好ましくない。
【００２３】
前記水素供給システムにおいては、パージされた水素は、電気化学的水素ポンプにおいて純化されて燃料電池に戻されるから、残りのパージガス中の水素分圧を低くすることができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の水素供給システムにおいて、前記水素戻し流路が前記水素供給流路に接続されてなる水素供給システムに関する。
【００２５】
前記水素供給システムは、水素戻し流路を前記水素供給流路に接続しているから、前記水素供給システムを燃料電池に組み合わせる際に、燃料電池のアノード側を改造する必要がない。
【００２６】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の水素供給システムにおいて、前記燃料電池は固体高分子型燃料電池である水素供給システムに関する。
【００２７】
前記水素供給システムは、本発明の水素供給システムを固体高分子形燃料電池に使用した例である。固体高分子形燃料電池は、［背景技術］の欄でも述べたようにリニアモータ車両用の車上電源として特に好ましい。
【００２８】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の水素供給システムにおいて、前記燃料電池の負荷に応じて前記電気化学的水素ポンプに供給する電力量を制御して水素の移送量を増減させる水素供給システムに関する。
【００２９】
燃料電池の負荷が増大すると水素供給量が増大する結果、排出される未反応水素の量も増える。しかし、前記水素供給システムにおいては、前記燃料電池の負荷に応じて前記電気化学的水素ポンプに供給する電力量を制御しているから、このような場合においては、電気化学的水素ポンプに供給する電力量を増大させて燃料電池に戻す水素量を増やすことができる。したがって、未反応水素の量が増大しても効果的に回収、再利用することができ、燃料電池の負荷が増大しても系外に排出する未反応水素の量を少量に抑えることができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明は、請求項２〜５の何れか１項に記載の水素供給システムにおいて、前記パージ流路が、パージされた水素を貯留するバッファタンクに接続されてなるとともに、前記バッファタンク内の圧力がある設定圧力以上のときは前記電気化学的水素ポンプによって前記バッファタンク内の水素を前記燃料電池のアノード側に戻す水素供給システムに関する。
【００３１】
前記水素供給システムにおいては、パージされた水素を一時的に貯留するバッファタンクを備え、前記バッファタンク内の圧力がある設定圧力以上のときに前記電気化学的水素ポンプを作動させているから、前記電気化学的水素ポンプを常時作動させる必要がない。したがって前記電気化学的水素ポンプを常時作動させる場合に比較して、前記電気化学的水素ポンプで消費される電力を更に少なくすることができるから、燃料電池から更に多くの電力を取り出すことができる。
【００３２】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載の水素供給システムにおいて、前記水素供給流路が、水素容器から前記燃料電池のアノード側に水素を供給する流路であって前記水素容器から供給された水素の圧力を調整するレギュレータが介装され、前記水素戻し流路は、前記水素供給流路における前記レギュレータよりも下流側に接続されてなる水素供給システムに関する。
【００３３】
前記水素容器としては、水素が高圧で充填される高圧容器や、液体水素が充填される液体水素容器、水素吸蔵合金が充填された容器などがある。
【００３４】
請求項６および７に記載の水素供給システムは、本発明の水素供給システムを前記燃料電池に適用した例である。
【００３５】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７の何れか１項に記載の水素供給システムにおいて、前記電気化学的水素ポンプが、アノードとカソードとこれらの間に配設された電解質層とからなり、前記未反応水素またはパージ水素をアノード側に供給し、前記アノードとカソードとに電圧を印加することにより、前記未反応水素またはパージ水素を前記アノードからカソードに向かって移送する水素供給システムに関する。
【００３６】
前記水素供給システムで使用されている電気化学的水素ポンプにおいては、アノードに正電圧を、カソードに負電圧を印加する。これにより、前記電気化学的水素ポンプに導入された水素は、アノードでプロトンに変換されて電解質層をカソードに向かって移動し、移動したプロトンは、カソードにおいて電子が供給されて水素に戻る。したがって、不純物が大量に蓄積した未反応水素を前記電気化学的水素ポンプに導入した場合においても、前記電気化学的水素ポンプの導出側からは純粋な水素が導出されるから、未反応水素の再利用率を高めることができる。また、水素中の不純物は窒素やアルゴンガスのように不活性であり、しかも無毒なものが殆どである上、前記電気化学的水素ポンプの導入側に残存したガス中の水素分圧は極めて低くなるから、安全上好ましい。
【００３７】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の水素供給システムにおいて、前記電気化学的水素ポンプの電解質層が固体高分子電解質からなる水素供給システムに関する。
【００３８】
前述のように、前記水素供給システムにおいては、電気化学的水素ポンプは、電解質層が固体高分子電解質であるから、常温近傍での低温動作が可能であり、始動までの時間が短く、軽量、コンパクトであり、騒音も小さい。
【００３９】
しかも、前記電気化学的水素ポンプの構成は固体高分子形燃料電池とほぼ同一であり、運転条件が異なるだけであるから、燃料電池として固体高分子形燃料電池スタックを用いるときは、前記スタックを構成するセルの一部を前記電気化学的水素ポンプとして使用できる。この場合においては、独立した管路によって水素供給流路、水素戻し流路、水素パージ流路を形成する代りに、セルに設けた溝などを水素供給流路、水素戻し流路、水素パージ流路を用いてもよい。これにより、前記水素供給システムは燃料電池と一体に形成でき、極めてコンパクトに、しかも堅牢に構成できる。
【００４０】
請求項１０に記載の発明は、水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池に水素を供給する水素供給システムであって、水素供給源から前記燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路と、前記燃料電池において未反応の水素を系外に排出する未反応水素排出流路とを備え、前記未反応水素排出流路には、系外に排出される水素の少なくとも一部を電気化学的に酸化させる電気化学的反応器が介装されてなることを特徴とする水素供給システムに関する。
【００４１】
燃料電池からの水素の排出濃度が低い場合や水素の排出量が少ない場合には、電気化学的水素ポンプによって水素を回収するのは効率が悪いことがある。
【００４２】
しかし、電気化学的反応器は、低濃度の水素も効率的に処理できる。そして、前記水素供給システムにおいては、燃料電池から排出された水素を電気化学的反応器で酸化させてから排出しているから、爆発等の危険はない。また、前記電気化学的反応器においては、水素を電気化学的に酸化させているから、火炎を出さずに、しかも常温または常温に近い低温で酸化させることができ、安全性が高い。したがって、リニアモータ車両の車上電源システムとして好適である。
【００４３】
請求項１１に記載の発明は、水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池に水素を供給する水素供給システムであって、前記燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路と、前記燃料電池で反応しなかった未反応水素を前記燃料電池のアノード側に戻す水素戻し流路と、前記水素戻し流路を流通する水素の少なくとも一部をパージする水素パージ流路とを有し、前記水素パージ流路には、パージされた水素の少なくとも一部を電気化学的に酸化させる電気化学的反応器が設けられてなることを特徴とする水素供給システムに関する。
【００４４】
請求項２のところで述べたように、燃料電池をリニアモータ車両の車上電源として使用する場合には、パージガスをそのまま車外に排出すると、安全上好ましくない。
【００４５】
前記水素供給システムにおいては、水素を電気化学的反応器で酸化させた後のパージガスを系外に排出しているから、トンネルや、地下、ビルの内部などの半密閉空間で使用しても安全上問題はない。
【００４６】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の水素供給システムにおいて、前記パージ流路が、パージされた水素を貯留するバッファタンクに接続されてなるとともに、前記バッファタンク内の圧力がある設定圧力以上のときは前記バッファタンク内のパージ水素を前記電気化学的反応器に導入して酸化させる水素供給システムに関する。
【００４７】
請求項６のところで述べたように、前記水素供給システムにおいては、パージされた水素を一時的に貯留するバッファタンクを備え、前記バッファタンク内の圧力がある設定圧力以上のときに電気化学的反応器を作動させているから、前記電気化学的反応器を常時作動させる必要がない。したがって前記電気化学的反応器を常時作動させる場合に比較して、前記電気化学的反応器で消費される電力を更に少なくすることができるから、燃料電池から更に多くの電力を取り出すことができる。
【００４８】
請求項１３に記載の発明は、請求項１０〜１２の何れか１項に記載の水素供給システムにおいて、前記燃料電池が固体高分子型燃料電池である水素供給システムに関する。
【００４９】
請求項４のところで説明したのと同様の理由により、前記水素供給システムも、リニア車両用の車上電源システムに好適に使用できる。
【００５０】
請求項１４に記載の発明は、請求項１０〜１３の何れか１項に記載の水素供給システムにおいて、前記電気化学的反応器が、アノードとカソードとこれらの間に配設された電解質層とからなり、未反応水素をアノード側に、空気または酸素をカソード側に供給するとともに、前記アノードとカソードとに電圧を印加して供給された水素を空気または酸素と反応させる水素供給システムに関する。
【００５１】
請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の水素供給システムにおいて、前記電気化学的反応器の電解質層が固体高分子電解質からなる水素供給システムに関する。
【００５２】
前記水素供給システムで使用されている電気化学的反応器は、燃料電池とほぼ同一の構成を有し、只、アノード側に供給される水素の分圧が燃料電池の場合に比較して低い条件で運転される点が異なる。
【００５３】
したがって、燃料電池として、燃料電池セルを積層したスタックを用いる場合には、前記スタックを形成する燃料電池セルの一部を電気化学的反応器として使用できるから、前記水素供給システムは、燃料電池システムと一体化することができる。
【００５４】
請求項１６に記載の発明は、水素と酸素との電気化学的な反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノード側に水素を供給する請求項１〜１５の何れか１項に記載の水素供給システムと、前記燃料電池のカソード側に空気を供給する空気供給流路とを備えることを特徴とする燃料電池システムに関する。
【００５５】
前記燃料電池システムにおいては、未反応水素の少なくとも一部は、前記水素供給システムによってアノード側に戻されるか、または電気化学的に酸化処理されて水に変換される。したがって、未反応水素が生のまま系外に排出されることはないから、系外に、より安全に排気を排出できる。
【００５６】
更に、前記水素供給システムで使用されている電気化学的水素ポンプおよび電気化学的反応器は、何れも静的なシステムであり、機械的可動部を有しないから、構成が単純で故障が少なく、殆ど無音で運転できる。また、未反応水素を搬送するのに等温圧縮をしているから、エネルギー消費も少ない。
【００５７】
請求項１７に記載の発明は、請求項１６に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が複数のセルを積層したスタックであり、電気化学的水素ポンプまたは電気化学的反応器は、前記燃料電池スタック内部に組み込まれてなる燃料電池システムに関する。
【００５８】
前記燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックとは別に電気化学的水素ポンプまたは電気化学的反応器を設ける必要はないから、コンパクトに構成できる。
【００５９】
請求項１８に記載の発明は、請求項１６または１７に記載の燃料電池システムにおいて、電気化学的水素ポンプが、前記燃料電池から排出される未反応水素の濃度や量に応じて電気化学的反応器として動作する燃料電池システムに関する。
【００６０】
前記燃料電池システムにおいては、電気化学的水素ポンプとは別に電気化学的反応器を設ける必要がないから、システム全体としてもコンパクトに構成できる。
【発明の効果】
【００６１】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池から排出された未反応水素を少ないエネルギーで燃料電池に再循環でき、または、安全に処理して系外に排出できる水素供給システム、および前記水素供給システムを備えた燃料電池システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
１．実施形態１
本発明に係る燃料電池システムの一例について以下に説明する。
【００６３】
実施形態１に係る燃料電池システム２００は、図１に示すように、燃料電池４と、燃料電池４のアノード側に水素を供給する水素供給システム２と、燃料電池４のカソード側に空気を供給する空気供給流路６と、燃料電池４のカソード側で水素と空気とが反応して生成した排ガスを排出する排気管路８とを有する。
【００６４】
燃料電池４は、アノード４２と、カソード４４と、アノード４２とカソード４４とに挟まれた高分子電解質膜４６とを有する。アノード４２とカソード４４とは、何れもたとえば炭素繊維布に白金触媒を担持して構成されている。アノード４２は水素が供給される側に、カソード４４は空気が供給される側に設けられている。また、高分子電解質膜４６としては、たとえばＮａｆｉｏｎ（商品名）やＧｏｒｅ−ｓｅｌｅｃｔ（商品名）のように、パーフルオロカーボン骨格にスルホン酸基が結合した骨格を有するアニオン性弗素系高分子が使用される。
【００６５】
水素供給システム２は、水素が３５０〜７００気圧程度の高圧で充填されている水素容器２１と、水素容器２１から燃料電池４のアノード側に水素を供給する水素供給流路２２と、燃料電池４のアノード側から排出された未反応水素を水素供給流路２２に戻す水素戻し流路２３と、水素戻し流路２３に介装され、前記未反応水素を水素供給流路２２に向かって移送する水素ポンプ２４とを備える。水素ポンプ２４は、本発明における電気化学的水素ポンプに相当する。また、水素供給流路２２には、水素容器２１から供給される水素の圧力を１〜１０気圧程度に調整するレギュレータ２５が介装されている。
【００６６】
水素ポンプ２４は、燃料電池４と同様、アノード２４Ａと、カソード２４Ｂと、アノード２４Ａおよびカソード２４Ｂに挟まれた高分子電解質膜２４Ｃとを有する。アノード２４Ａとしては、Ｔｉ繊維焼結体にＰｔ−Ｉｒ触媒を担持したものが使用され、カソード２４Ｂとしては、ステンレス鋼繊維焼結体にＰｔ触媒を担持したものが使用される。そして、高分子電解質膜２４Ｃとしては、燃料電池４と同様にアニオン性弗素系高分子が使用される。アノード２４Ａは直流電源２４Ｄの正極に、カソード２４Ｂは直流電源２４Ｄの負極に接続される。未反応水素は、水素ポンプ２４のアノード２４Ａ側に導入され、カソード２４Ｂ側から導出される。
【００６７】
以下、燃料電池システム２００の作用について説明する。
【００６８】
燃料電池４においては、水素容器２１からレギュレータ２５および水素供給流路２２を通してアノード４２側に水素が導入されることにより、カソード４４からアノード４２に向かう電流が生じる。
【００６９】
燃料電池４に供給された水素のうち、アノード４２で反応しなかった未反応水素は、水素戻し流路２３を通って水素ポンプ２４に導入される。ここで、水素ポンプ２４においては、アノード２４Ａには正電圧が、カソード２４Ｂには負電圧が印加されているから、水素ポンプ２４に導入された未反応水素は、アノード２４Ａで電子を奪われてプロトンになり、カソード２４Ｂに向かって移動する。そしてカソード２４Ｂから電子を受け取って水素分子に戻る。このようにして水素ポンプ２４においては、アノード２４Ａ側からカソード２４Ｂ側に向かって水素が移送される。水素ポンプ２４から導出された水素は、水素戻し流路２３を通って水素供給流路２２におけるレギュレータ２５の出口側に戻される。
【００７０】
次に、燃料電池システム２００の運転例について説明する。燃料電池４のアノード４２側においては、供給された水素のうち、２０％が未反応水素として排出されるとする。そして、水素ポンプ２４においては、導入された水素の９８％をカソード４４側に移送するものとする。
【００７１】
したがって、アノード４２側から排出された２０％の未反応水素のうちの９８％は、水素ポンプ２４によって水素供給流路２２に戻される。したがって、水素ポンプ２４において排気管２４Ｅから排出される水素は、燃料電池４に供給した量の２０％×０．０２＝０．４％に過ぎない。
【００７２】
燃料電池システム２００の備える水素供給システム２においては、水素ポンプ２４において水素を電気化学的に搬送しているから、静的な水素回収システムであり、機械的ポンプのような可動部分がない。したがって構成が単純で故障が少なく、殆ど無音で運転できる。また、未反応水素を搬送するのに等温圧縮しているから、エネルギー消費も少ない。
【００７３】
また、水素ポンプ２４から導出される未反応水素は極めて高純度の水素であるから、未反応水素の回収率を高く設定することができる。
【００７４】
また、水素戻し流路２３は、燃料電池４のアノード側に直接接続されているのではなく、水素供給流路２２に接続されているから、燃料電池４のアノード側の配管をそのまま利用できる。
【００７５】
更に、燃料電池４は固体高分子形燃料電池であるから、低温で運転できる上に、短時間で起動できる。しかも、軽量、コンパクトであり、騒音も小さい。また、燃料として水素を使用する故に水蒸気以外の生成物は殆ど生成しないから、排気ガスは極めて清浄である。したがって、リニアモータ車両用の車上電源システムとして特に好ましい。更に、水素ポンプ２４もカソード側に空気を供給しない以外は固体高分子形燃料電池と殆ど同様の構成を有するから、燃料電池４と同様に短時間で起動でき、しかも低温運転が可能である。また、アノードおよびカソードに印加する電流、電圧を変化させることにより、水素の移送量を自由に制御できる。したがって、燃料電池４に加わる負荷が大きいときには、水素ポンプ２４に印加する電圧、電流を増大させて未反応水素の移送量を増加させ、燃料電池４に加わる負荷が小さいときには、水素ポンプ２４に印加する電圧、電流を減少させて未反応水素の移送量を減少させるなど、燃料電池４に加わる負荷の大小に応じて水素ポンプ２４における水素の移送量を増減させることができる。
【００７６】
２．実施形態２
本発明に係る燃料電池システムの別の例について以下に説明する。
【００７７】
図２に示すように、実施形態２に係る燃料電池システム２０２は、燃料電池４と、燃料電池４のアノード側に水素を供給する水素供給システム３と、燃料電池４のカソード側に空気を供給する空気供給流路６と、燃料電池４のカソード側で水素と空気とが反応して生成した排ガスを排出する排気管路８とを有する。なお、図２において図１と同一の符号は、特に断らない限り、前記符号が図１で示す構成要素と同一の構成要素を示す。
【００７８】
水素供給システム３は、水素が３５０〜７００気圧程度の高圧で充填されている水素容器３１と、水素容器３１から燃料電池４のアノード４２側に水素を供給する水素供給流路３２と、燃料電池４で反応しなかった未反応水素を系外に排出する未反応水素排出流路３３と、未反応水素排出流路３３に介装され、燃料電池４のアノード側から排出された未反応水素を電気化学的に酸化する水素反応器３４とを備える。水素反応器３４は、本発明における電気化学的反応器に相当する。また、水素供給流路３２には、燃料電池４に供給する水素の圧力を１〜１０気圧程度に調整するレギュレータ３５が介装されている。
【００７９】
水素反応器３４は、燃料電池４と同様、アノード３４Ａと、カソード３４Ｂと、アノード３４Ａおよびカソード３４Ｂに挟まれた高分子電解質膜３４Ｃとを有する。アノード３４Ａ、カソード３４Ｂ、および高分子電解質膜３４Ｃとしては、夫々燃料電池４のアノード４２、カソード４４、および高分子電解質膜４６と同様のものが使用できる。そして、アノード３４Ａは直流電源３４Ｄの正極に、カソード３４Ｂは直流電源３４Ｄの負極に接続される。アノード３４Ａ側には未反応水素が導入され、カソード２４Ｂ側には、空気供給流路６から分岐した給気流路３６から空気が供給される。したがって、アノード３４Ａ側およびカソード３４Ｂ側の何れにおいても通常の燃料電池と同様の反応が生起し、未反応水素はアノード３４Ａ側でプロトンに変化して高分子電解質膜３４Ｃをカソード３４Ｂ側に移動し、カソード３４Ｂ側で、給気流路３６によって導入された空気中の酸素によって酸化されて水に変化する。したがって、水素反応器３４は、未反応水素を電気化学的に酸化させる機能を有する。なお、アノード３４Ａ側に供給された未反応水素の一部は、排気管３４Ｅからそのまま系外に排出される。
【００８０】
以上述べた点以外の構成は、実施形態１の燃料電池システム２００と同様である。
【００８１】
以下、燃料電池システム２０２の作用について説明する。
【００８２】
燃料電池４においては、水素容器３１からレギュレータ３５および水素供給流路３２を通してアノード４２側に水素が導入されることにより、発電がされる。
【００８３】
一方、燃料電池４に供給された水素のうち、アノード４２で反応しなかった未反応水素は、未反応水素排出流路３３から系外に導出されるが、未反応水素排出流路の途中には水素反応器３４が設けられているから、未反応水素排出流路３３から系外に導出された未反応水素の殆どは水素反応器３４で電気化学的に酸化して水蒸気に変化する。そして、前記未反応水素の極一部が排気管３４Ｅからそのまま系外に排出される。
【００８４】
水素反応器３４においては、未反応水素を電気化学的に酸化させているから、常温で処理できる。したがって、燃料電池システム２０２は火災の危険が殆ど無く、安全性が高いから、リニアモータ車両の車上電源システムとして好適である。また、水素反応器３４は、低濃度の水素も効率的に処理できるから、燃料電池システム２０２は、燃料電池４での水素の利用率が高く、未反応水素の量や濃度が低い場合に好適である。
【００８５】
３．実施形態３
実施形態３に係る燃料電池システム２０４は、図３に示すように、燃料電池４と、燃料電池４のアノード側に水素を供給する水素供給システム５と、燃料電池４のカソード側に空気を供給する空気供給流路６と、燃料電池４のカソード側で水素と空気とが反応して生成した排ガスを排出する排気管路８とを有する。図３において図１と同一の符号は、特に断らない限り、前記符号が図１において示す構成要件と同一の構成要件を示す。
【００８６】
水素供給システム５は、水素が３５０〜７００気圧程度の高圧で充填されている水素容器５１と、水素容器５１から燃料電池４のアノード４２側に水素を供給する水素供給流路５２と、燃料電池４で反応しなかった未反応水素を水素供給流路５２に戻す水素戻し流路５３とを有する。水素供給流路５２には、実施形態１の燃料電池システム２００と同様に、燃料電池４に供給する水素の圧力を１〜１０気圧程度に調整するレギュレータ５５が介装されている。水素戻し流路５３は、水素供給流路５２におけるレギュレータ５５よりも下流側に接続されているとともに、途中には未反応水素を水素供給流路５２に向かって移送するポンプＰが設けられている。ポンプＰは、実施形態１のところで述べた水素ポンプ２４のような電気化学的水素ポンプであってもよいが、遠心ポンプのような通常の機械式ポンプが好ましい。したがって、水素供給流路５２と燃料電池４のアノード４２側と水素戻し流路５３とによって未反応水素が循環する循環流路が形成される。
【００８７】
水素供給システム５には、更に、前記循環流路を循環する未反応水素の一部を系外にパージする水素パージ流路５６が、水素戻し流路５３におけるポンプＰよりも下流側から分岐している。
【００８８】
水素パージ流路５６には、上流側から下流側に向かって順に、パージする水素の流量を調整するパージ流量調整弁５６Ａ、パージされた水素を一時貯留するパージタンク５７、およびパージされた未反応水素を水素戻し流路５３に向かって移送する水素ポンプ２４が介装されている。そして、水素パージ流路５６の下流側末端は水素戻し流路５３に接続されている。
【００８９】
以下、燃料電池システム２０４の作用について説明する。
【００９０】
燃料電池４においては、水素容器５１からレギュレータ５５および水素供給流路５２を通してアノード４２側に水素が導入されることにより、カソード４４からアノード４２に向かう電流が生じる。
【００９１】
燃料電池４に供給された水素のうち、アノード４２で反応しなかった未反応水素は、水素戻し流路５３を通って水素供給流路５２に戻され、水素容器５１から供給された新鮮な水素とともに燃料電池４に再び供給される。
【００９２】
一方、前記循環流路を循環する未反応水素の一部は、水素パージ流路５６を通ってパージタンク５７に貯留される。前記未反応水素のうち、パージすべき水素の割合は、パージ流量調整弁５６Ａで設定できる。
【００９３】
パージタンク５７の圧力が設定値以上になると、直流電源２４Ｄがｏｎになり、水素ポンプ２４に直流電流が供給される。したがって、パージタンク５７内の未反応水素は水素ポンプ２４によって循環流路に向かって移送される。ここで、水素ポンプ２４においては、実施形態１のところで水素ポンプ２４について説明したように、導入された未反応水素は、アノード２４Ａで一旦プロトンに変換されて高分子電解質膜２４Ｃ中を移動し、カソード２４Ｂで再び水素ガスに戻されるから、水素ポンプ２４からは高純度の水素が導出される。したがって、水素戻し流路５３には高純度の水素が戻されるから、循環流路中に不純物が蓄積されることはない。
【００９４】
水素ポンプ２４に導入された未反応水素のうち、前記循環流路に向かって導出されたなかった分は、排気管２４Ｅからパージガスとして排出される。しかし、前記パージガスは、未反応水素から水素を除去した残りなので水素分圧が低く、窒素やアルゴンなどの不純物が殆どである。しかもパージガスそのものの量も循環流路に戻される未反応水素に比べて圧倒的に少ないから、前記パージガスをそのまま系外に排出しても安全性が高い。
【００９５】
更に、パージタンク５７の内圧が設定値以上の時だけ水素ポンプ２４を作動させているから、水素ポンプ２４で消費されるエネルギーを実施形態１の燃料電池システム２００に比較して更に節減できる。
【００９６】
４．実施形態４
実施形態４に係る燃料電池システム２０６は、図４に示すように、燃料電池４と、燃料電池４のアノード側に水素を供給する水素供給システム７と、燃料電池４のカソード側に空気を供給する空気供給流路６と、燃料電池４のカソード側で水素と空気とが反応して生成した排ガスを排出する排気管路８とを有する。なお、図４において図１および図２と同一の符号は、特に断らない限り、前記符号が図１および図２において示す構成要件と同一の構成要件を示す。
【００９７】
水素供給システム７は、水素が３５０〜７００気圧程度の高圧で充填されている水素容器７１と、水素容器７１から燃料電池４のアノード４２側に水素を供給する水素供給流路７２と、燃料電池４で反応しなかった未反応水素を水素供給流路５２に戻す水素戻し流路７３とを有する。水素供給流路７２には、実施形態１の燃料電池システム２００と同様に燃料電池４に供給する水素の圧力を１〜１０気圧程度に調整するレギュレータ７５が介装されている。水素戻し流路７３は、水素供給流路７２におけるレギュレータ７５よりも下流側に接続されているとともに、途中には未反応水素を水素供給流路７２に向かって移送するポンプＰが設けられている。したがって、水素供給流路７２と燃料電池４のアノード４２側と水素戻し流路７３とによって未反応水素が循環する循環流路が形成される。
【００９８】
水素供給システム７には、更に、前記循環流路を循環する未反応水素の一部を系外にパージする水素パージ流路７６が、水素戻し流路７３におけるポンプＰよりも下流側から分岐している。
【００９９】
水素パージ流路７６には、上流側から下流側に向かって順に、パージする水素の流量を調整するパージ流量調整弁７６Ａ、パージされた水素を一時貯留するパージタンク７７、およびパージされた未反応水素を電気化学的に酸化させる水素反応器３４が介装されている。
【０１００】
水素反応器３４は、排気管３４Ｅが開閉可能に形成されている。なお、図４において３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄは夫々アノード、カソード、高分子電解質膜、直流電源を示す。水素反応器３４は、パージタンク７７の内圧が予め設定された一定値以上になると、排気管３４Ｅが開になって作動するように構成されている。
【０１０１】
以上述べた点以外の構成は、実施形態１の燃料電池システム２００と同様である。
【０１０２】
以下、燃料電池システム２０６の作用について説明する。
【０１０３】
燃料電池４においては、水素容器７１からレギュレータ７５および水素供給流路７２を通してアノード４２側に水素が導入されることにより、発電がされる。
【０１０４】
そして、実施形態３の燃料電池システム２０４と同様に、燃料電池４に供給された水素のうち、アノード４２で反応しなかった未反応水素は、水素戻し流路７３を通って水素供給流路７２に戻され、水素容器７１から供給された新鮮な水素とともに燃料電池４に再び供給される。
【０１０５】
一方、前記循環流路を循環する未反応水素の一部は、水素パージ流路７６を通ってパージタンク７７に貯留される。前記未反応水素のうち、パージすべき水素の割合は、流量調整弁７６Ａで設定できる。
【０１０６】
パージタンク７７の圧力が設定値以上になると、直流電源３４Ｄがｏｎになり、水素反応器３４のカソード３４Ｂ側に設けられた給気流路３６から空気が供給されて水素反応器３４が作動する。したがって、パージタンク７７内の未反応水素は、水素反応器３４で電気化学的に酸化されたあと、外界に排出される。
【０１０７】
実施形態４に係る燃料電池システム２０６においては、パージした水素を、水素反応器３４で電気化学的に酸化させてから系外に排出している。したがって、パージした水素の処理は常温または常温近傍で行われるので、火災の危険は殆どない。
【０１０８】
更に、パージタンク７７の内圧が設定値以上の時だけ水素反応器３４を作動させているから、水素反応器３４で消費されるエネルギーを実施形態２の燃料電池システム２０２に比較して更に節減できる。
【０１０９】
５．実施形態５
本発明に係る燃料電池システムのうち、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックを備えるものの一例について以下に説明する。
【０１１０】
実施形態５の燃料電池システム２０８は、図５に示すように、燃料電池スタック１０４と、燃料電池スタック１０４を構成する燃料電池セル１４０の夫々に水素を供給する水素供給システム１０２と、燃料電池セル１４０の夫々に空気を供給する空気供給流路１０６とを有する。
【０１１１】
燃料電池スタック１０４は、４個の燃料電池セル１４０と１個の水素ポンプ２４とから構成されている。燃料電池セル１４０は、夫々アノード１４２と、カソード１４４と、アノード１４２とカソード１４４とに挟まれた高分子電解質膜１４６とを有する。アノード１４２、カソード１４４、高分子電解質膜１４６は、実施形態１の燃料電池システム２００が備える燃料電池４におけるアノード４２、カソード４４、高分子電解質膜４６と同様の構成を有している。各燃料電池セル１４０においては、アノード１４２側に水素が供給され、カソード１４４側に空気が供給される。
【０１１２】
水素供給システム１０２は、水素が３５０〜７００気圧程度の高圧で充填されている水素容器１２１と、水素容器１２１から各燃料電池セル１４０のアノード側に水素を供給する水素供給流路１２２と、電気化学的水素ポンプである水素ポンプ２４と、各燃料電池セル１４０のアノード側から排出された未反応水素を水素ポンプ２４に導入する未反応水素導入流路１２３と、水素ポンプ２４から導出された水素を水素供給流路１２２に戻す水素戻し流路１２６とを備える。水素供給流路１２２には、水素容器１２１から供給される水素の圧力を１〜１０気圧程度に調整するレギュレータ１２５が介装され、水素戻し流路１２６は、水素供給流路１２２におけるレギュレータ１２５の出口側に接続されている。
【０１１３】
燃料電池システム２０８においては、水素容器１２１からレギュレータ１２５および水素供給流路１２２を通って各燃料電池セル１４０に水素が供給され、発電される。
【０１１４】
各燃料電池セル１４０において反応しなかった未反応水素は、未反応水素導入流路１２３を通って水素ポンプ２４に導入され、水素ポンプ２４内をアノード２４Ａからカソード２４Ｂに向かって移送され、水素ポンプ２４から水素戻し流路１２６に導出されて水素供給流路１２２に戻される。
【０１１５】
実施形態５の燃料電池システム２０８は、実施形態１に係る燃料電池システム２００の有する特長に加え、燃料電池セル１４０と水素ポンプ２４とが１つのスタックに纏められて燃料電池スタック１０４を形成している故に、全体として更にコンパクトに構成できるという特長を有している。
【０１１６】
６．実施形態６
本発明に係る燃料電池システムのうち、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックを備えるものの別の例について以下に説明する。
【０１１７】
実施形態６の燃料電池システム２１０は、図６に示すように、燃料電池スタック１１４と、燃料電池スタック１１４を構成する燃料電池セル１４０の夫々に水素を供給する水素供給システム１０３と、燃料電池セル１４０の夫々に空気を供給する空気供給流路１０６とを有する。
【０１１８】
燃料電池スタック１１４は、４個の燃料電池セル１４０と１個の水素反応器３４とから構成されている。燃料電池セル１４０については実施形態５のところで説明した通りである。
【０１１９】
水素供給システム１０３は、水素が３５０〜７００気圧程度の高圧で充填されている水素容器１３１と、水素容器１３１から各燃料電池セル１４０のアノード側に水素を供給する水素供給流路１３２と、各燃料電池セル１４０のアノード側から未反応水素を排出する未反応水素排出流路１３３と、未反応水素排出流路１３３に介装された水素反応器３４とを備える。水素供給流路１３２には、水素容器１３１から供給される水素の圧力を１〜１０気圧程度に調整するレギュレータ１３５が介装されている。
【０１２０】
燃料電池システム２１０においては、各燃料電池セル１４０において反応しなかった未反応水素は、未反応水素排出流路１３３を通って水素反応器３４に導入され、水素反応器３４で電気化学的に酸化され、系外に排出される。
【０１２１】
実施形態６の燃料電池システム２１０は、実施形態２に係る燃料電池システム２０２の有する特長に加え、燃料電池セル１４０と水素反応器３４とが１つのスタックに纏められて燃料電池スタック１１４を形成している故に、全体として更にコンパクトに構成できるという特長を有している。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明の水素供給システムを備える燃料電池システムは、リニアモータ車両の車上電源システムとして好適に使用でき、また、地下街やビルなどの電源システムとしても好適に使用できる。更に燃料電池自動車にも好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】図１は、実施形態１に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【図２】図２は、実施形態２に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【図３】図３は、実施形態３に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【図４】図４は、実施形態４に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【図５】図５は、実施形態５に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【図６】図６は、実施形態６に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２４】
２      水素供給システム
３      水素供給システム
４      燃料電池
５      水素供給システム
６      空気供給流路
７      水素供給システム
２１    水素容器
２２    水素供給流路
２３    流路
２４    水素ポンプ
２４Ａ  アノード
２４Ｂ  カソード
２４Ｃ  高分子電解質膜
２４Ｄ  直流電源
３１    水素容器
３２    水素供給流路
３３    未反応水素排出流路
３４    水素反応器
３４Ａ  アノード
３４Ｂ  カソード
３４Ｃ  高分子電解質膜
３４Ｄ  直流電源
３４Ｅ  排気管
３６    給気流路
４２    アノード
４４    カソード
４６    高分子電解質膜
５１    水素容器
５２    水素供給流路
５３    流路
５５    レギュレータ
５６    水素パージ流路
５６Ａ  パージ流量調整弁
５７    パージタンク
７１    水素容器
７２    水素供給流路
７３    流路
７５    レギュレータ
７６Ａ  パージ流量調整弁
７６    水素パージ流路
７６Ａ  流量調整弁
７７    パージタンク
１０２  水素供給システム
１０３  水素供給システム
１０４  燃料電池スタック
１０６  空気供給流路
１１４  燃料電池スタック
１２１  水素容器
１２２  水素供給流路
１２３  未反応水素導入流路
１３１  水素容器
１３２  水素供給流路
１３３  未反応水素排出流路
１４０  燃料電池セル
１４２  アノード
１４４  カソード
１４６  高分子電解質膜
２００  燃料電池システム
２０２  燃料電池システム
２０４  燃料電池システム
２０６  燃料電池システム
２０８  燃料電池システム
２１０  燃料電池システム
【図１】
2005268056.tif 000003
【図２】
2005268056.tif 000004
【図３】
2005268056.tif 000005
【図４】
2005268056.tif 000006
【図５】
2005268056.tif 000007
【図６】
2005268056.tif 000008