(57)【要約】【課題】燃料極からの水蒸気の排出性能を高くして燃料電池スタックの性能を向上させる。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、空気極４に空気１０を供給する酸化剤ガス供給経路６と、燃料極２に水素９を供給する燃料ガス供給経路５と、水素９に不活性ガスを混合する不活性ガス混合供給手段とを有する。不活性ガス混合供給手段は、燃料極排出ガス１１を凝縮して水蒸気を除去し、水蒸気の除去後に残る不活性ガスと水素とからなるリサイクルガス２１を排出する凝縮器１３と、水素９とリサイクルガス２１とを混合して燃料極２に供給する接続部１８とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスに含まれる水素の電気化学的酸化反応により発電を行う燃料電池スタックと、
この燃料電池スタックの空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガスに不活性ガスを混合する不活性ガス混合供給手段とを有することを特徴とす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において、
前記不活性ガス混合供給手段は、
前記不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスと前記不活性ガス供給手段から供給される不活性ガスとを混合して前記燃料電池スタックの燃料極に供給する混合手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスは、水素と不活性ガスとを含むものであり、
前記不活性ガス混合供給手段は、
前記燃料電池スタックの燃料極から排出された燃料極排出ガスを凝縮して水蒸気を除去し、この水蒸気の除去後に残る不活性ガスと水素とからなるリサイクルガスを排出する凝縮器と、
前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスと前記凝縮器から排出されるリサイクルガスとを混合して前記燃料電池スタックの燃料極に供給する混合手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記不活性ガスは、窒素、二酸化炭素、アルゴン、ネオンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを用いて発電を行う燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は従来の燃料電池システムの構成を示す図である。図３において、１は燃料電池スタック、２は燃料電池スタックの燃料極、３は燃料電池スタックの電解質、４は燃料電池スタックの空気極、５は燃料ガス供給経路、６は酸化剤ガス供給経路、７は燃料極排出ガス排出経路、８は空気極排出ガス排出経路、９は燃料ガスである水素、１０は酸化剤ガスである空気、１１は燃料極排出ガス、１２は空気極排出ガスである。図３の例では、燃料電池スタック１は、燃料極２と電解質３と空気極４とからなる１つの燃料電池セルで構成されているが、周知のとおり実際には多くの燃料電池セルが積層されたものから構成される。
【０００３】
図３を用いて、従来の燃料電池システムについて説明する。燃料電池スタック１の燃料極２には、燃料ガス供給経路５を介して燃料ガスである水素９が供給される。燃料電池スタック１の空気極４には、酸化剤ガス供給経路６を介して酸化剤ガスである空気１０が供給される。燃料電池スタック１では、水素の電気化学的酸化反応により発電が行われる。そして、発電に利用された後の燃料極排出ガス１１は、燃料極排出ガス排出経路７を介して排出される。また、発電に利用された後の空気極排出ガス１２は、空気極排出ガス排出経路８を介して排出される。
【０００４】
【非特許文献１】西脇太，「低温作動固体酸化物形燃料電池の開発状況について」，燃料電池，燃料電池開発情報センター，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．２，ｐ．３３−３４，２００３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図３に示した従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの利用率を高めた場合に燃料極２からの水蒸気の排出が不十分になり、セルの発電性能が大幅に低下するという問題点があった。燃料極２からの水蒸気の排出が不十分になる理由は、燃料ガスの利用率を高めた場合、燃料極２の出口付近の水蒸気濃度が高くなるが、水素に対して水蒸気が重い分子であるために、軽い水素だけでは水蒸気を押し出すことが難しくなり、水蒸気が詰まる可能性が高くなるからである。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、燃料極からの水蒸気の排出性能を高くして燃料電池スタックの発電性能を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスに含まれる水素の電気化学的酸化反応により発電を行う燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックの燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガスに不活性ガスを混合する不活性ガス混合供給手段とを有するものである。
また、本発明の燃料電池システムの１構成例において、前記不活性ガス混合供給手段は、前記不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスと前記不活性ガス供給手段から供給される不活性ガスとを混合して前記燃料電池スタックの燃料極に供給する混合手段とを備えるものである。
また、本発明の燃料電池システムの１構成例において、前記燃料ガスは、水素と不活性ガスとを含むものであり、前記不活性ガス混合供給手段は、前記燃料電池スタックの燃料極から排出された燃料極排出ガスを凝縮して水蒸気を除去し、この水蒸気の除去後に残る不活性ガスと水素とからなるリサイクルガスを排出する凝縮器と、前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスと前記凝縮器から排出されるリサイクルガスとを混合して前記燃料電池スタックの燃料極に供給する混合手段とを備えるものである。
前記不活性ガスは、窒素、二酸化炭素、アルゴン、ネオンのうち少なくとも１つを含むものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料ガスと共に不活性ガスを燃料電池スタックの燃料極に供給することにより、燃料極の出口付近に溜まっている水蒸気を不活性ガスで押し出して、燃料極から排出することができる。その結果、本発明では、従来の燃料電池システムに比べて、水蒸気の排出性能を高くすることができ、燃料電池スタックの発電性能を向上させることができる。
【０００９】
また、本発明では、凝縮器を用いることにより、不活性ガスをリサイクルすることができ、この不活性ガスを燃料電池スタックの燃料極に供給することができる。さらに、本発明では、凝縮器を用いることにより、水素もリサイクルすることができ、見かけの燃料利用率を下げることができるので、結果として燃料利用率に対する燃料電池スタックの発電性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図であり、図３と同一の構成には同一の符号を付してある。図１において、１３は凝縮器、１４は冷却水供給経路、１５は冷却水排出経路、１６は排水経路、１７はリサイクルガス供給経路、１８は燃料ガス供給経路５とリサイクルガス供給経路１７とを接続する接続部、１９は冷却水、２０は排水、２１はリサイクルガスである。
【００１１】
本実施の形態と従来の燃料電池システムが異なる点は、不活性ガス及び水素をリサイクルする凝縮器１３を設け、燃料電池スタック１の燃料極２に水素９と共に、不活性ガスと水素とからなるリサイクルガス２０を供給する点である。
燃料ガス供給経路５（燃料ガス供給手段）と、凝縮器１３と、リサイクルガス供給経路１７と、接続部１８（混合手段）とは、不活性ガス混合供給手段を構成している。
【００１２】
図１を用いて、本実施の形態の燃料電池システムについて説明する。従来と同様に、燃料電池スタック１の空気極４には、酸化剤ガス供給経路６（酸化剤ガス供給手段）を介して酸化剤ガスである空気１０が供給され、発電に利用された後の空気極排出ガス１２は、空気極排出ガス排出経路８を介してシステムの外部に排出される。
【００１３】
本実施の形態では、燃料極排出ガス排出経路７を凝縮器１３に接続しており、燃料電池スタック１で発電に利用された後の燃料極排出ガス１１は、燃料極排出ガス排出経路７を介して凝縮器１３に供給される。
凝縮器１３には、冷却水供給経路１４を介して冷却水１９が供給され、凝縮器内を流れた冷却水１９が冷却水排出経路１５を介して排出されるようになっている。凝縮器１３は、内部に冷却水１９を環流させ、燃料極排出ガス排出経路７から供給された燃料極排出ガス１１を１００℃以下に冷却する。この結果、燃料極排出ガス１１中の水蒸気は、冷やされて凝縮液化され、排水２０として排水経路１６からシステムの外部に排出される。
【００１４】
一方、燃料極排出ガス１１から水蒸気を除去した残りのガスには、不活性ガスと水素とが含まれる。この不活性ガスと水素とからなるリサイクルガス２１が凝縮器１３から排出される。本実施の形態では、接続部１８によってリサイクルガス供給経路１７を燃料ガス供給経路５に接続している。これにより、凝縮器１３から排出されたリサイクルガス２１は、燃料ガス供給経路５から供給される水素９と混合されて、燃料電池スタック１の燃料極２に供給される。
【００１５】
このように、本実施の形態では、燃料ガスである水素９と共に、不活性ガスと水素とからなるリサイクルガス２１を燃料電池スタック１の燃料極２に供給することにより、燃料極２の出口付近に溜まっている水蒸気を不活性ガスで押し出して、燃料極２から排出することができる。その結果、本実施の形態では、水素のみを燃料極２に供給する従来の燃料電池システムに比べて、水蒸気の排出性能を高くすることができ、燃料電池スタック１の発電性能を向上させることができる。また、本実施の形態では、不活性ガスと共に水素もリサイクルすることになるので、燃料極２に供給する水素９を、リサイクルガス２１に含まれる水素の分だけ減らすことができ、見かけの燃料利用率を下げることができるので、結果として燃料利用率に対する燃料電池スタック１の発電性能を向上させることができる。
【００１６】
なお、本実施の形態では、不活性ガスをリサイクルしているが、この不活性ガスは本来は燃料ガスに含まれているものである。リサイクルガス２０中の不活性ガスは、窒素、二酸化炭素、アルゴン、ネオンのうち少なくとも１つを含んでいる。
【００１７】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、不活性ガスをリサイクルしているが、不活性ガスのリサイクルは本発明の必須の構成要素ではない。不活性ガスをリサイクルしない場合の燃料電池システムの構成を図２に示す。図２において、２２は不活性ガス供給経路、２３は燃料ガス供給経路５と不活性ガス供給経路２２とを接続する接続部、２４は不活性ガスである。不活性ガス供給経路２２（不活性ガス供給手段）と、接続部２３（混合手段）とは、不活性ガス混合供給手段を構成している。
【００１８】
本実施の形態では、接続部２３によって不活性ガス供給経路２２を燃料ガス供給経路５に接続している。これにより、不活性ガス供給経路２２から供給される不活性ガス２４は、燃料ガス供給経路５から供給される水素９と混合されて、燃料電池スタック１の燃料極２に供給される。
【００１９】
なお、第１、第２の実施の形態において、水素９に混入するリサイクルガス２０や不活性ガス２４の混入量は、基本的には多いほど良い。燃料電池スタック１には、燃料ガスと空気とが混ざらないように隔絶するシール（不図示）が設けられており、リサイクルガス２０や不活性ガス２４の混入量はこのシールの性能に影響を与えるが、シール性能に問題がない限り、リサイクルガス２０や不活性ガス２４の混入量が多い方が水蒸気の排出性能に優れるので、リサイクルガス２０や不活性ガス２４の混入量は基本的には多いほど良い。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】従来の燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１…燃料電池スタック、２…燃料極、３…電解質、４…空気極、５…燃料ガス供給経路、６…酸化剤ガス供給経路、７…燃料極排出ガス排出経路、８…空気極排出ガス排出経路、９…水素、１０…空気、１１…燃料極排出ガス、１２…空気極排出ガス、１３…凝縮器、１４…冷却水供給経路、１５…冷却水排出経路、１６…排水経路、１７…リサイクルガス供給経路、１８，２３…接続部、１９…冷却水、２０…排水、２１…リサイクルガス、２２…不活性ガス供給経路、２４…不活性ガス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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