(57)【要約】【課題】  燃料ガスに燃料電池のフラッティングの解消に必要な流路内流速を与えることによりフラッティングを解消すると共に、流路内流速を与えるために循環流路外部に排出した未反応燃料ガスを再循環させることにより、燃料電池のシステム効率の向上を図ることを目的とする。【解決手段】  本発明によれば、排出ガス回収流路に排出ガスを貯蔵する排出ガス貯蔵部を配置し、燃料電池のアノード流路から排出された排出ガスを貯蔵する。また、排出ガスは、再度燃料電池に供給することで、燃費の向上を図ることができる。さらに、排出ガス貯蔵部を負圧にしておくことにより、排出ガス貯蔵部に接続されている制御弁の開放時に燃料ガスの流路に流れる反応ガスの流速を早めることができ、燃料電池のアノード電極に溜まる水滴等を除去し、フラッティングの発生を抑えることができる。したがって、燃料の消費を抑えつつシステム効率の向上を図ることができる。【選択図】        図１
2007042506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池と、燃料供給手段から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスを流通させる供給流路と、当該供給流路に接続され前記燃料電池の燃料極から排出される排出ガスを前記燃料電池に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又は前記供給流路に接続される排出ガス回収流路と、を備える燃料電池システムであって、
前記排出ガス回収流路には、制御手段により制御される第１の制御弁と、当該第１の制御弁に接続される第１の排出ガス貯蔵部と、当該第１の排出ガス貯蔵部を負圧にする圧力調整部と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記循環流路には、前記排出ガスから水と気体を分離する気液分離手段が配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排出ガス回収流路には、前記第１の排出ガス貯蔵部に加え、第２の排出ガス貯蔵部及び前記排出ガス回収流路と前記供給流路の接続部に設けられた第２の制御弁が配置されており、
前記圧力調整部は、前記第１の排出ガス貯蔵部を負圧にするとともに、前記第２の排出ガス貯蔵部を加圧し、
前記制御手段は、前記第１の制御弁及び前記第２の制御弁を開くことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排出ガス回収流路には、前記排出ガスから燃料ガスを選択的に分離する燃料ガス分離手段が配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガス分離手段により前記排出ガスから前記燃料ガスが分離されてなる不純物ガスに含まれる反応ガスは、前記燃料ガス分離手段と接続された燃焼手段により燃焼されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排出ガス回収流路は、前記圧力調整部を迂回するバイパス流路を備え、
当該バイパス流路は、前記排出ガスの逆流を規制する逆止弁を配置することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか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、水素を含む燃料ガスによって発電する燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムにおける燃料ガスの供給に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池は、地球温暖化や環境破壊の抑制手段として、また次世代の発電システムとして大いに期待されており、さかんに研究開発が行われている。燃料電池は、水素と酸素の電気化学的な反応によりエネルギーを発生させるものであり、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池などを挙げることができる。これらの中でも、固体高分子型燃料電池は、常温から起動が可能であるうえ小型で高出力であるため、自動車（二輪、四輪）やポータブル電源等の電力源として注目されている。
【０００３】
一般的な固体高分子型燃料電池は、燃料電池の基本構成単位である電極構造体をセパレータで挟んだものを単セルとし、これを数十個から数百個組み合せてなるスタックとして用いられる。スタックの基本構成単位である電極構造体は、アノード電極（燃料極）及びカソード電極（空気極）の二つの電極と、これら電極に挟持される高分子電解質膜とから形成される。また、通常、これらの両電極は、高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。
【０００４】
このような構成からなる固体高分子型燃料電池は、アノード電極側に水素を含む燃料を供給し、カソード電極側に酸素又は空気を供給することで発電する。アノード電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用されている。
【０００５】
ところで、上述した燃料電池は、燃料ガスとしての水素ガスと酸素を含む空気の電気化学的な反応により発電すると共に、発電時に水が生成される。通常、この水は、供給されるガスの流速により両電極の流路の外に吹き飛ばされるが、低負荷時などに流路内のガス流速が低下した場合、内部の水が完全に排出されずに流路を閉塞してしまう現象（以下、フラッティングという）が生じることがある。このフラッティングにより燃料ガスの流路が閉塞されると発電が安定しなくなる、という問題があった。
【０００６】
また、燃料電池システムにおいて、燃料の消費を抑え、システム効率を向上させるため、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを再度循環させる方式が広く採用されているが、再循環されるガスには水蒸気も含まれるため、よりフラッティングが発生しやすい状態になるという問題もあった。
【０００７】
このような問題に対して、燃料ガスの外部排出によりフラッティングを解消させる発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の発明は、エゼクタポンプの吸引圧力の減少等によりフラッティングが発生した場合に、循環系路内の弁を閉じて、排出弁を開き逆流を防止しつつ燃料電池流路内の流速を上げることでフラッティングを解消する発明である。
【０００８】
また、燃料ガスの循環に電動ポンプなどの圧縮器を用いてフラッティングを解消させる発明が開示されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示の発明は、燃料ガスの負荷に応じた燃料ガス循環量の設定に対し、発電状態に応じた循環流量を補正する発明である。すなわち、フラッティング等が発生した場合には、ポンプの出力を上げて循環流量を増すことによりフラッティングを解消し、燃料ガスの外部への排出量をも低減させている。
【０００９】
さらに、水素オフガスを取り出して、水素回収器により回収された水素を貯蔵タンクに貯蔵し、供給ポンプを介して燃料電池に再び供給する発明が開示されている（例えば、特許文献３参照）。また、水素オフガスを取り出して、水素生成器により回収された水素を水素貯蔵部に貯蔵し、燃料電池に再び供給させる発明が開示されている（例えば、特許文献４）。特許文献３及び特許文献４に開示の発明は、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを再度循環させることにより、燃料電池システムにおける燃料の消費を抑えている発明である。
【特許文献１】特開２００２−３２３１８号公報
【特許文献２】特開２００２−２８００２７号公報
【特許文献３】特開昭６２−２７２４６８号公報
【特許文献４】特開平５−１３０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１で開示されている発明では、燃料電池流路内部の流速を上げるために燃料ガスを外部へ排出するため燃費が悪化し、システム全体の効率が悪化する、という問題があった。また、特許文献２で開示されている発明では、外部への燃料ガスの排出量を減らすことはできるが、燃料電池の流路内の水滴を吹飛ばすのに十分な能力を有する電動ポンプなどの圧縮器が必要なため、重量、サイズが増加する、という問題があった。さらに、この圧縮器を駆動するためのエネルギーを供給する必要もあるので、その分システム全体の効率が悪化する、という問題も生じていた。
【００１１】
また、特許文献３及び特許文献４に開示されている発明では、燃料電池から排出された水素を効率よく使い切ることはできるが、反応ガス流路内の流速を上げることができないため、フラッティングが発生しやすい、という問題があった。
【００１２】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、燃料ガスに燃料電池のフラッティングの解消に必要な流路内流速を与えることによりフラッティングを解消すると共に、流路内流速を与えるために循環流路外部に排出した未反応燃料ガスを再循環させることにより効率よく使用することで、燃料電池のシステム効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）  燃料ガス及び酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池と、燃料供給手段から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスを流通させる供給流路と、当該供給流路に接続され前記燃料電池の燃料極から排出される排出ガスを前記燃料電池に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又は前記供給流路に接続される排出ガス回収流路と、を備える燃料電池システムであって、前記排出ガス回収流路には、制御手段により制御される第１の制御弁と、当該第１の制御弁に接続される第１の排出ガス貯蔵部と、当該第１の排出ガス貯蔵部を負圧にする圧力調整部と、を備えた燃料電池システム。
【００１４】
（１）の発明によれば、排出ガス回収流路に排出ガスを貯蔵する排出ガス貯蔵部を配置し、燃料電池のアノード流路から排出された排出ガスを貯蔵する。また、排出ガスは、再度燃料電池に供給することで、燃費の向上を図ることができる。さらに、排出ガス貯蔵部を負圧にしておくことにより、排出ガス貯蔵部に接続されている制御弁の開放時に燃料ガスの流路に流れる反応ガスの流速を早めることができ、燃料電池のアノード電極に溜まる水滴等を除去し、フラッティングの発生を抑えることができる。したがって、燃料の消費を抑えつつシステム効率の向上を図ることができる。
【００１５】
（２）  前記循環流路には、前記排出ガスから水と気体を分離する気液分離手段が配置されていることを特徴とする（１）記載の燃料電池システム。
【００１６】
（２）の発明によれば、循環流路に気液分離手段を配置する。これにより、燃料電池から排出された未反応の燃料ガス（以下、排出ガスという。）に含まれる水分等の除去若しくは低減が可能となる。したがって、排出ガスを再循環或いは第一の排出ガス貯蔵部に再供給させた場合におけるフラッティングの発生が抑制でき、かつ、燃料の消費を抑えつつシステム効率の向上を図ることができる。
【００１７】
（３）  前記排出ガス回収流路には、前記第１の排出ガス貯蔵部に加え、第２の排出ガス貯蔵部及び前記排出ガス回収流路と前記供給流路の接続部に設けられた第２の制御弁が配置され、前記圧力調整部は、前記第１の排出ガス貯蔵部を負圧にするとともに、前記第２の排出ガス貯蔵部を加圧し、前記制御手段は、前記第１の制御弁及び前記第２の制御弁を開くことを特徴とする（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。
【００１８】
（３）の発明によれば、排出ガス回収流路に第１の排出ガス貯蔵部に加え、加圧された第２の排出ガス貯蔵部を配置する。これにより、第１の排出ガス貯蔵部での負圧による流路内の流速の上昇に加え、第２の排出ガス貯蔵部での加圧による流速の上昇が加わるため、比較的小さな貯蔵容量にて、燃料電池のアノード流路内でより大きな流速を得られるため、多くの水滴等の除去が可能になる。したがって、フラッティングの発生を抑制することができ、かつ、燃料の消費を抑えつつシステム効率の向上を図ることができる。
【００１９】
（４）  前記排出ガス回収流路には、前記排出ガスから燃料ガスを選択的に分離する燃料ガス分離手段が配置されることを特徴とする（１）から（３）のいずれか記載の燃料電池システム。
【００２０】
（４）の発明によれば、排出ガス回収流路に排出ガスから燃料ガスを選択的に分離する燃料ガス分離手段を配置する。これにより、排出ガスから不純物を除くことで外部排出を行うことなく循環流路内の不純物ガスの濃度を発電に影響のないレベル以下に維持することができ、発電安定性の向上を図ることができる。したがって、燃料の消費を抑え、システム効率の向上を図ることができる。
【００２１】
（５）  前記燃料ガス分離手段により前記排出ガスから前記燃料ガスが分離されてなる不純物ガスに含まれる反応ガスは、前記燃料ガス分離手段と接続された燃焼手段により燃焼されることを特徴とする（４）に記載の燃料電池システム。
【００２２】
（５）の発明によれば、排出ガスから分離された不純物ガスに含まれる反応ガスを燃焼する燃焼手段を設ける。これにより、不純物ガスに燃料ガスが含まれている場合であっても、燃料ガスを燃焼することにより、燃料ガス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。さらに、燃料ガス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。したがって、システム効率の向上を図ることができる。
【００２３】
（６）  前記排出ガス回収流路は、前記圧力調整部を迂回するバイパス流路を備え、当該バイパス流路は、前記排出ガスの逆流を規制する逆止弁を配置することを特徴とする（１）から（３）のいずれか記載の燃料電池システム。
【００２４】
（６）の発明によれば、排出ガス回収流路に圧力調整部を迂回する逆止弁を備えたバイパス流路を備える。これにより、燃料電池の発電状態の変化に伴う循環流路の圧力変動を有効に利用できるので圧力調整部の消費電力を低減することができる。したがって、燃料の消費を抑え、システム効率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池のフラッティングを解消するのに必要な流路内流速を循環流路内から排出ガス貯蔵部に燃料ガスを放出する事により与えながら、排出ガスは回収、再利用するため、システム効率を高めることができる。
【００２６】
また、排出ガス貯蔵容器内を負圧の状態にすることで、排出ガス貯蔵容器の開放時に燃料電池流路内の水滴を排出するのに十分な瞬間流速が得られるため、排出ガス貯蔵容器を大型化する必要がない。排出ガス貯蔵容器から排出ガスを汲出し再び燃料電池に供給するポンプも、直接流路内部の水を吹飛ばすのに十分な能力を有する循環用電動ポンプに比べれば、小型かつ低出力なポンプを使用することができる。
【００２７】
さらに、排出ガスを回収、再供給する際に不純物ガスを分離、排出することにより、循環流路内の不純物ガスの濃度を発電に影響のないレベル以上に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施形態は、下記の実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００２９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図５は、本発明の第３の実施形態に係る電気化学的水素ポンプの有する特性を示す構成図である。
【００３０】
本実施形態に係る燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に駆動用電源として搭載される。
【００３１】
＜第１実施形態＞
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃料供給装置２とエゼクタポンプ３とが配置された供給流路４と、気液分離装置５と循環ポンプ６とが配置された循環流路７と、第１の制御弁１０と第１の排出ガス貯蔵容器１１と排出ガス回収ポンプ１２とが配置された排出ガス回収流路１３と、排出ガス回収流路１３の排出ガス回収ポンプ１２を迂回するバイパス流路１４と、制御装置（ＥＣＵ）１５を備えて構成されている。また、循環流路７及びバイパス流路１４には、逆止弁１６、１７が設けられている。なお、循環ポンプ６は、エゼクタポンプ３が使用される場合は、必ずしも必要とされるものではない。
【００３２】
燃料電池１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなるアノード電極（燃料極）と、カソード触媒およびガス拡散層からなるカソード電極（空気極）とで挟持し、これを電極構造体とする。この電極構造体を更に一対のセパレータで挟持したものを単セルとし、燃料電池１は、この単セルを多数積層して構成されている。そして、電極構造体と対向する各セパレータの表面上には凹溝が形成されており、各凹溝と電極構造体とによってアノード流路１ａおよびカソード流路１ｂが形成されている。
【００３３】
燃料電池１のアノード電極には、アノード流路１ａに接続された供給流路４から水素等の燃料ガス（反応ガス）が供給される。アノード電極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を介してカソード電極へと移動する。この移動に伴って発生する電子が外部回路（図示省略）に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極には、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１ｂに接続された入口側流路からエアーコンプレッサー５０によって供給され、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。この生成された水の一部は、電解質膜を透過してアノード流路１ａへも移動する。そして、アノード流路１ａに接続された循環流路７およびカソード流路１ｂに接続された出口側流路から未反応の反応ガスを含む排出ガス及び水が燃料電池１の外部に排出される。
【００３４】
燃料供給装置２は、遮断弁を備えた高圧の水素タンクと、レギュレータとを備えて構成される。レギュレータは、例えば、高圧タンク又はエアーコンプレッサー等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でよい。この燃料供給装置２から供給される水素は、エゼクタポンプ３を介して燃料電池１のアノード流路１ａへ流通させられる。
【００３５】
エゼクタポンプ３は、燃料供給装置２から供給される水素ガスをアノード流路１ａに供給する。また、エゼクタポンプ３は、エゼクタポンプ３の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アノード流路１ａから排出された排出ガスを副流導入口より吸い込み、この排出ガスを燃料供給装置２から供給される水素と混合し、反応ガスとして燃料電池１に再供給する。このようにして、燃料電池１から排出された排出ガスは、循環流路７を介して循環される。すなわち、エゼクタポンプ３の副流導入口は循環流路７に接続されている。
【００３６】
循環流路７には、気液分離装置５が備えられている。気液分離装置５は、アノード流路１ａから排出された排出ガス中に含まれる水分を反応ガスから分離する。分離された反応ガスは、循環流路７及び排出ガス回収流路１３に流通する。すなわち、気液分離装置５は、一方がアノード流路１ａの燃料ガス排出口側に接続され、他方は循環流路７及び排出ガス回収流路１３に接続されている。なお、気液分離装置５にはドレン弁が接続されており、水分はここから外部に排出される。
【００３７】
さらにこの循環流路７には、循環ポンプ６が備えられている。循環ポンプ６は、気液分離装置５で分離された反応ガスを汲み上げ、エゼクタポンプ３の副流導入口に流通させる。すなわち、循環ポンプ６は、一方が気液分離装置５に接続され、他方はエゼクタポンプ３の副流導入口に繋がる循環流路７に接続されている。
【００３８】
排出ガス回収流路１３には、第１の排出ガス貯蔵容器１１が備えられている。第１の排出ガス貯蔵容器１１は、排出ガス回収ポンプ１２により負圧の状態に保たれている。排出ガス回収ポンプ１２は、第１の排出ガス貯蔵容器１１を負圧の状態に保つことができるポンプ、すなわち、逆流を起こさないポンプであればよく、例えば、ベローズポンプが好ましい。なお、負圧とは、マイナスの圧力、つまり引張る力等をいう。
【００３９】
第１の排出ガス貯蔵容器１１は、一方が気液分離装置５と接続され、他方は排出ガス回収ポンプ１２に接続されている。また、第１の排出ガス貯蔵容器１１と気液分離装置５との間には第１の制御弁１０が設けられている。第１の制御弁１０は、制御装置１５に接続されている。
【００４０】
また、排出ガス回収流路１３には、排出ガス回収ポンプ１２を迂回するバイパス流路１４が設けられている。このバイパス流路１４は、反応ガスの流通方向に向かって逆止弁が設けられている。なお、排出ガス回収流路１３は、一方は気液分離装置に接続されるが、他方は循環流路７に接続されていてもよく、供給流路４に接続されてもよい。また、供給流路４への接続は、エゼクタポンプ３の上流側でもよく、下流側でもよい。
【００４１】
燃料電池１の発電状態に応じて、第１の制御弁１０が制御装置１５により開閉されると、負圧の状態に保たれている第１の排出ガス貯蔵容器１１内に向かって供給流路４、燃料電池１内部及び逆止弁１７上流の循環流路７内の燃料ガスが気液分離装置５を介して一気に流れ込むことにより、アノード流路１ａにある水滴等を除去する。
【００４２】
制御装置１５は、例えば、燃料電池１の発電状態（例えば、燃料電池のセルの出力電圧であるセル電圧）に基づいて、フラッティング状態を判定し、第１の制御弁１０の開閉を制御する。
【００４３】
上述したように、第１の実施形態に係る燃料電池システム１００は、循環ポンプ６を駆動し排出ガスを循環させると共に、排出ガス回収ポンプ１２を駆動し、第１の排出ガス貯蔵容器１１内を負圧にしておく。制御装置１５の判断により水滴等排出の必要性が生じた時、第１の制御弁１０を開けると負圧の状態に保たれていた第１の排出ガス貯蔵容器１１に向かって循環流路７を介して燃料電池１内の流路を通過するガスの流れが発生する。これにより、燃料電池１のアノード流路１ａ内の水滴が未反応ガスと共に排出される。排出ガスは、気液分離装置５により、水分と分離された後、反応ガスが第１の排出ガス貯蔵容器１１内に入る。以下、これを繰り返す。
【００４４】
このように、第１の実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池１のアノード流路１ａから排出された排出ガスを第１の排出ガス貯蔵容器１１に貯蔵し、それを再度燃料電池１に供給し、循環させることで、燃料供給システムの向上を図ることができる。また、第１の排出ガス貯蔵容器１１を負圧にしておくことにより、第１の排出ガス貯蔵容器１１に接続されている制御弁１０の開放時に燃料ガスの流路に流れる反応ガスの流速を早めることにより、燃料電池１のアノード流路１ａに溜まる水滴等を除去し、フラッティングの発生を抑えることができ、燃料の消費を抑えつつシステム効率の向上を図ることができる。また、排出ガス回収ポンプ１２に逆止弁１６付きバイパス流路１４を設けることにより、発電状態の変化に伴う循環流路７の圧力変動を有効に利用できるので排出ガス回収ポンプ１２の消費電力を低減できる。
【００４５】
＜第２実施形態＞
第１の実施形態において、排出ガス回収流路１３に負圧の状態にした第１の排出ガス貯蔵容器１１を配置したが、図２に示すように、第２の実施形態は、排出ガス回収流路１３に第１の排出ガス貯蔵容器１１に加え、第２の排出ガス貯蔵容器１１ｂを配置している。すなわち、第２の実施形態に係る排出ガス回収流路１３には、ガスの流通方向に沿って、第１の制御弁１０と、第１の排出ガス貯蔵容器１１と、排出ガス回収ポンプ１２と、第２の排出ガス貯蔵容器１１ｂと、第２の制御弁１０ｂとが配置される。また、排出ガス回収流路１３の一方は、気液分離装置５に接続され、他方は、燃料電池１のアノード流路１ａに繋がる供給流路４に接続される。
【００４６】
この場合、排出ガス回収ポンプ１２は、第１の排出ガス貯蔵容器１１及び第２の排出ガス貯蔵容器１１ｂの間に配置され、排出ガス回収ポンプ１２の駆動により第１の排出ガス貯蔵容器１１は減圧され、第２の排出ガス貯蔵容器１１ｂは加圧される。すなわち、排出ガス回収ポンプ１２は、第１の排出ガス貯蔵容器１１を負圧の状態に保つことができるポンプであればよく、例えば、ベローズポンプであればよい。
【００４７】
まず、第１の制御弁１０及び第２の制御弁１０ｂは閉じておき、排出ガス回収ポンプ１２を駆動する。これにより、第１の排出ガス貯蔵容器１１内を負圧にすると共に、第２の排出ガス貯蔵容器１１ｂ内を正圧にしておく。制御装置１５により、水滴等排出の必要性が生じたと判断された時、第１の制御弁１０及び第２の制御弁１０ｂを同時に開けることにより、第２の排出ガス貯蔵容器１１ｂ（高圧容器）から第１の排出ガス貯蔵容器１１（負圧容器）への強い流れが発生し、燃料ガスは、第２の制御弁１０ｂが接続されている供給流路４から燃料電池１に排出ガスを放出する。
【００４８】
このように、第２の実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、排出ガス回収流路１３に第１の実施形態における第１の排出ガス貯蔵容器１１に加え、加圧された第２の排出ガス貯蔵容器１１ｂを配置する。これにより、第１の排出ガス貯蔵部での負圧による流路内の流速の上昇に加え、第２の排出ガス貯蔵部での加圧による流速の上昇が加わるため、燃料電池のアノード流路１ａ内でのより多くの水滴等の除去が可能になる。また、このような配置により、比較的小型の容器を用いて流速を早めることが可能になる。
【００４９】
＜第３実施形態＞
第１の実施形態において、排出ガス回収流路１３に排出ガス回収ポンプ１２を配置したが、図３に示すように、第３の実施形態は、排出ガス回収流路１３に電気化学的水素ポンプ２０を配置してもよい。ここで、電気化学的水素ポンプ２０とは、ポンプ内に電解質膜を備えるポンプであって、水素分子のみが電解質膜を移動する特性を利用してガス分離を行う機能を有するポンプである（図５参照）。
【００５０】
すなわち、第３の実施形態に係る排出ガス回収流路１３には、ガスの流通方向に沿って、第１の制御弁１０と、第１の排出ガス貯蔵容器１１と、電気化学的水素ポンプ２０と、逆止弁２１とが配置される。排出ガス回収流路１３の一方は、気液分離装置５に接続され、他方は循環流路７に接続されていてもよく、供給流路４に接続されてもよい。なお、供給流路４への接続は、エゼクタポンプ３の上流側でもよく、下流側でもよい。
【００５１】
次に、電気化学的水素ポンプ２０の水素ガス分離について説明する。電気化学的水素ポンプ２０は、図５に示すように、プロトン導電性の電解質膜２０ｂの両側にガス拡散性の電極基材２０ａを配する構造となっている。
【００５２】
電解質膜２０ｂとしては、高分子電解質膜を使用する。高分子電解質膜は、高分子電解質から形成されている。具体的には、ポリマー骨格の全部又は少なくとも一部がフッ素化されたフッ素系ポリマー、又は、ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであって、イオン交換基を備えたものであることが好ましい。イオン交換基の種類は特に限定されるものではなく、用途に応じて任意に選択することができる。例えば、スルホン酸、カルボン酸、ホスホン酸等のイオン交換基のうち少なくとも一種を備えた高分子電解質を用いることができる。
【００５３】
ポリマー骨格の全部又は少なくとも一部がフッ素化されたフッ素系ポリマーであって、イオン交換基を備えた高分子電解質としては、具体的には、ナフィオン（登録商標）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー等が挙げられる。これらのうち、ナフィオンが好ましく用いられる。
【００５４】
ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであって、イオン交換基を備えた高分子電解質としては、具体的には、ポリスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸等が挙げられる。また、高分子電解質としては、スルホン酸基を有するポリアリーレンを用いることもできる。具体的には、例えば、スルホン酸基を有するポリアリーレン共重合体に、キノン化合物を添加したもの、スルホン酸基を有するポリアリーレンと、オゾン処理を施したカーボン材料とを併用したもの、スルホン酸基を有するポリアリーレンと、フラーレン分子を構成する炭素原子とが結合したもの等を用いることができる。
【００５５】
ガス拡散性の電極基材２０ａは、電解質膜２０ｂに接する触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成されている。触媒層は、イオン伝導性物質と、カーボン等の担体に金属を担持させた触媒を含有する。なお、イオン伝導性物質は、高分子電解質により形成される。触媒としては、カーボンに白金を担持させたものの他、カーボンに白金とルテニウムの合金を担持させたＰｔ−Ｒｕ触媒等が好ましく用いられる。
【００５６】
ガス拡散層は、従来の一般的なガス拡散層と同様の構成であってよく、燃料の水素ガスが触媒層に均等に到達できるようなものであることが好ましい。具体的には、ガス拡散層は、触媒層に接するカーボン・テフロン（登録商標）層と、このカーボン・テフロン（登録商標）層に接するカーボンペーパー層から形成されている。
【００５７】
このような構成を有する電気化学的水素ポンプ２０は、両電極に予め電圧をかけておくとそこに窒素（不純物）と水素を含んだガスが触媒を含んだ電極に触れると水素は水素イオンとなり、電解質膜を透過し、反対側の電極で水素となり、水素のみを取り出すことができる。なお、電気化学的水素ポンプ２０の駆動は、第１の実施形態と同様に制御装置１５（図示せず）により制御される。そして、分離濃縮された高濃度不純物ガスは、排出弁２２より外部へ排出され、燃料ガスは再度燃料電池１へ供給されるべく、循環流路７又は供給流路４に流通される。
【００５８】
このように、第３の実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、ガス回収ポンプとしての電気化学的水素ポンプ２０を利用して、第１の排出ガス貯蔵容器１１内を負圧にすると同時に、電気化学的水素ポンプ２０内の電解質膜を水素分子のみが移動する特性を利用して排出ガスのガス分離を行なう。これにより、循環流路７内を循環する反応ガスに含まれる不純物ガス濃度を発電に問題のない適宜なレベル以下に維持することができる。
【００５９】
＜第４の実施形態＞
第３の実施形態において、排出ガス回収流路１３に電気化学的水素ポンプ２０を配置したが、第４の実施形態は、排出ガス回収流路１３にガス分離装置３０を配置してもよい。すなわち、第４の実施形態に係る排出ガス回収流路１３には、ガスの流通方向に沿って、第１の制御弁１０と、第１の排出ガス貯蔵容器１１と、排出ガス回収ポンプ１２と、ガス分離装置３０と、逆止弁３１とが配置される。排出ガス回収流路１３の一方は、気液分離装置５に接続され、他方は循環流路７に接続されていてもよく、供給流路４に接続されてもよい。また、供給流路４への接続は、エゼクタポンプ３の上流側でもよく、下流側でもよい。
【００６０】
ガス分離装置３０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供給流路４若しくは循環流路７に流通するものであって、例えば、水素を選択的に透過させる水素選択透過膜を両側から挟み込むようにして配置されたガス導入室と水素分離室とを備えて構成されている。なお、水素選択透過膜は、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、第１の排出ガス貯蔵容器１１から放出された排出ガスは、先ず、ガス導入室に導入される。そして、ガス導入室の排出ガスに含まれる水素は、排出ガス回収ポンプ１２により負圧にされた第１の排出ガス貯蔵容器１１内の排出ガスの放出時の圧力により、水素選択透過膜を透過させられる。水素以外の不純物は、排出ガス回収ポンプ１２により発生させられた圧力により濃縮される。そして、水素分離室の水素は、排出ガス回収流路１３の逆止弁３１を介して循環流路７若しくは供給流路４へと流通される。
【００６１】
なお、ガス導入室には、例えば制御装置１５により開閉制御される排出弁３２が設けられており、ガス導入室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できている。
【００６２】
このような構成を有する第４の実施形態においては、まず、排出ガス回収ポンプ１２を駆動し、第１の排出ガス貯蔵容器１１内を負圧にすると同時に水素選択透過膜を利用したガス分離装置３０へ送り込む。ここで、分離濃縮された高濃度不純物ガスは外部に排出し、分離された燃料ガスは再度燃料電池１へ供給することにより、循環流路７内の不純物ガス濃度が発電に問題のない適宜なレベル以下に維持される。また、ガス分離装置３０にて分離濃縮された高濃度不純物ガス及び未分離燃料ガスは空気等の酸化剤ガスと混合された後、触媒式燃焼器３３へ導かれ燃焼されることにより未分離燃焼ガスが外界に排出されない。なお、水素燃焼触媒としては白金、パラジウム等を使用する。
【００６３】
このように、第４の実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、排出ガス回収流路に排出ガスから燃料ガスを選択的に分離する燃料ガス分離手段を配置する。これにより、排出ガスから不純物を除くことで循環流路内の不純物ガスの濃度を発電に影響のないレベル以下に維持することができ、発電安定性の向上を図ることができる。また、不純物ガスに含まれる反応ガスを燃焼する燃焼手段を設けることにより、不純物ガスに燃料ガスが含まれている場合であっても、燃料ガスが外部に排出されてしまうことを防止することができ、燃焼熱の利用も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る電気化学的水素ポンプの有する特性を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  燃料電池
２  燃料供給装置
３  エゼクタポンプ
４  供給流路
６  循環ポンプ
７  循環流路
１０  第１の制御弁
１１  第１の排出ガス貯蔵容器
１２  排出ガス回収ポンプ
１３  排出ガス回収流路
１５  制御装置
５０  エアーコンプレッサー
１００  燃料電池システム
【図１】
2007042506.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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