(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質を一対の電極で挟んだ発電セルを複数積層した電池本体と、
前記電池本体に空気を供給する空気供給手段と、
前記電池本体に水素を供給する水素供給手段と、
前記電池本体で使用された前記空気を排出する空気排出手段と、
前記電池本体で使用された前記水素を当該電池本体に再度供給する水素循環手段と
を備えている固体高分子電解質燃料電池発電システムにおいて、
前記水素循環手段を流通する前記水素を当該水素循環手段から排出する水素排出手段と、
前記電池本体の発電の際の電流値の累積値に基づいて、前記水素排出手段を作動させる水素排出制御手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子電解質燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記水素循環手段から排出された前記水素と当該水素中の不純物とを分離する不純物分離手段と、
前記不純物を分離された前記水素を前記電池本体に供給する水素再利用手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子電解質燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２において、
前記不純物分離手段が、
前記水素を透過させる一方、前記不純物を捕集するパラジウム膜を内蔵した水素精製手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子電解質燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項３において、
前記水素精製手段の前記パラジウム膜に捕集された前記不純物を外部へ排出する不純物排出手段と、
前記不純物排出手段を所定の機会ごとに作動させる不純物排出制御手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子電解質燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項２において、
前記不純物分離手段が、
前記水素を吸蔵する一方、前記不純物を通過させる水素吸蔵体を内蔵した水素精製手段と、
前記水素精製手段の前記水素吸蔵体を通過した前記不純物を外部へ排出する不純物排出手段と
を備え、
前記水素再利用手段が、
前記水素精製手段の前記水素吸蔵体を加熱して当該水素吸蔵体から前記水素を離脱させる加熱手段と、
前記加熱手段を所定の機会ごとに作動させる加熱制御手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子電解質燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項５において、
前記加熱手段が、
前記電池本体で使用された前記水素と前記空気とを燃焼させて生じた燃焼ガスを利用して前記水素吸蔵体を加熱する
ことを特徴とする固体高分子電解質燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかにおいて、
前記水素排出制御手段が、
前記水素排出手段を所定の時間ごとに作動させる
ことを特徴とする固体高分子電解質燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかにおいて、
前記水素排出制御手段が、
前記電池本体の冷却水温度、冷却水流量、前記空気及び前記水素の圧力、前記空気及び前記水素の流量、前記空気及び前記水素の温度、前記空気及び前記水素の湿度がそれぞれ基準値を満たす一方、当該電池本体の電圧が基準値を満たさない場合に、前記水素排出手段を作動させる
ことを特徴とする固体高分子電解質燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質燃料電池発電システムは、固体高分子電解質を一対の電極で挟んだ発電セルを複数積層した電池本体の一方の電極に空気を供給すると共に、他方の電極に水素ガスを供給して、これらガスを電気化学的に反応させることにより、電力を得ることができるようになっている。
【０００３】
このとき、電池本体に供給された空気や水素ガスは、通常、電池本体内にたまってしまう水の排出等のため、上記反応ですべてを消費せずに一部を未反応のまま排出するようにしている。このため、電池本体で使用されて電池本体から排出された水素ガスは、新たな水素ガスと共に電池本体に再び供給されることにより、できる限り上記反応に供されるように使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように水素ガスを循環させて利用すると、一般に市販されている純水素ガス（純度：９９．９９９％）であっても、水素ガス中の不純物（０．００１％）が系内に次第に蓄積し、系内の水素濃度が低下してしまい、発電能力が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
このようなことから、本発明は、水素ガスを有効に利用しながらも発電能力の低下を抑制することができる固体高分子電解質燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、固体高分子電解質を一対の電極で挟んだ発電セルを複数積層した電池本体と、前記電池本体に空気を供給する空気供給手段と、前記電池本体に水素を供給する水素供給手段と、前記電池本体で使用された前記空気を排出する空気排出手段と、前記電池本体で使用された前記水素を当該電池本体に再度供給する水素循環手段とを備えている固体高分子電解質燃料電池発電システムにおいて、前記水素循環手段を流通する前記水素を当該水素循環手段から排出する水素排出手段と、前記電池本体の発電の際の電流値の累積値に基づいて、前記水素排出手段を作動させる水素排出制御手段とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
第二番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記水素循環手段から排出された前記水素と当該水素中の不純物とを分離する不純物分離手段と、前記不純物を分離された前記水素を前記電池本体に供給する水素再利用手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
第三番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記不純物分離手段が、前記水素を透過させる一方、前記不純物を捕集するパラジウム膜を内蔵した水素精製手段を備えていることを特徴とする。
【０００９】
第四番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第三番目の発明において、前記水素精製手段の前記パラジウム膜に捕集された前記不純物を外部へ排出する不純物排出手段と、前記不純物排出手段を所定の機会ごとに作動させる不純物排出制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
第五番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記不純物分離手段が、前記水素を吸蔵する一方、前記不純物を通過させる水素吸蔵体を内蔵した水素精製手段と、前記水素精製手段の前記水素吸蔵体を通過した前記不純物を外部へ排出する不純物排出手段とを備え、前記水素再利用手段が、前記水素精製手段の前記水素吸蔵体を加熱して当該水素吸蔵体から前記水素を離脱させる加熱手段と、前記加熱手段を所定の機会ごとに作動させる加熱制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
第六番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第五番目の発明において、前記加熱手段が、前記電池本体で使用された前記水素と前記空気とを燃焼させて生じた燃焼ガスを利用して前記水素吸蔵体を加熱することを特徴とする。
【００１２】
第七番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第一番目から第六番目の発明のいずれかにおいて、前記水素排出制御手段が、前記水素排出手段を所定の時間ごとに作動させることを特徴とする。
【００１３】
第八番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第一番目から第七番目の発明のいずれかにおいて、前記水素排出制御手段が、前記電池本体の冷却水温度、冷却水流量、前記空気及び前記水素の圧力、前記空気及び前記水素の流量、前記空気及び前記水素の温度、前記空気及び前記水素の湿度がそれぞれ基準値を満たす一方、当該電池本体の電圧が基準値を満たさない場合に、前記水素排出手段を作動させることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムの実施の形態を図面を用いて以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１５】
［第一番目の実施の形態］
本発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムの第一番目の実施の形態を図１を用いて説明する。図１は、固体高分子電解質燃料電池発電システムの概略構成図である。
【００１６】
図１に示すように、固体高分子電解質を一対の電極で挟んだ発電セルを複数積層した電池本体１１の空気供給口には、空気１を送給する空気ポンプ１２の送出口が配管１１１を介して連結している。この配管１１１の途中には、水蒸気４を供給する水蒸気供給器１３が配管１１１ａを介して連結しており、固体高分子電解質を加湿することができるようになっている。空気ポンプ１２の受入口には、エアフィルタ１２ａが取り付けられている。電池本体１１の水素供給口には、水素ボンベ１４が配管１１２を介して連結している。この配管１１２の途中には、前記水蒸気供給器１３が配管１１２ａを介して連結している。電池本体１１の空気排出口には、配管１１３が連結している。電池本体１１の水素排出口には、水素ポンプ１５の受入口が配管１１４を介して連結している。
【００１７】
水素ポンプ１５の送出口は、気液分離器１６の受入口に配管１１５を介して連結している。気液分離器１６の気体送出口は、三方バルブ１０１の口１０１ａに配管１１６を介して連結している。三方バルブ１０１の口１０１ｂは、三方バルブ１０２の口１０２ａに配管１１７を介して連結している。三方バルブ１０２の口１０２ｂは、前記配管１１２の途中に配管１１８を介して連結している。
【００１８】
前記三方バルブ１０１の口１０１ｃは、三方バルブ１０３の口１０３ａに配管１１９を介して連結している。三方バルブ１０３の口１０３ｂは、水素分子を透過させるものの不純物を捕集するパラジウム膜を内蔵した水素ガス精製装置１７の受入口に配管１２０を介して連結している。水素ガス精製装置１７の送出口は、前記三方バルブ１０２の口１０２ｃに配管１２１を介して連結している。また、前記三方バルブ１０３の口１０３ｃは、吸引ポンプ１８の受入口に配管１２２を介して連結している。吸引ポンプ１８の送出口は、配管１２３を介して系外へ連絡している。
【００１９】
前記電池本体１１は、制御装置１９の入力部に電気的に接続し、前記吸引ポンプ１８および前記三方バルブ１０１〜１０３は、制御装置１９の出力部に電気的に接続しており、当該制御装置１９は、上記電池本体１１の発電の際の電流値の累積値等に基づいて、上記吸引ポンプ１８の作動および上記三方バルブ１０１〜１０３の開閉をそれぞれ制御するようになっている（詳細は後述する。）。
【００２０】
このような本実施の形態においては、空気ポンプ１２、配管１１１等により空気供給手段を構成し、水素ボンベ１４、配管１１２等により水素供給手段を構成し、配管１１３等により空気排出手段を構成し、水素ポンプ１５、気液分離器１６、配管１１４〜１１８、三方バルブ１０１，１０２等により水素循環手段を構成し、三方バルブ１０１、配管１１９等により水素排出手段を構成し、水素精製手段である水素ガス精製装置１７、三方バルブ１０３、配管１２０等により不純物分離手段を構成し、三方バルブ１０２、配管１１８，１２１等により水素再利用手段を構成し、吸引ポンプ１８、三方バルブ１０３、配管１２０，１２２，１２３等により不純物排出手段を構成し、制御装置１９等により水素排出制御手段および不純物排出制御手段を構成している。
【００２１】
このような構造をなす本実施の形態による固体高分子電解質燃料電池発電システム１０の作動を次に説明する。
【００２２】
当初、三方バルブ１０１は、口１０１ａと口１０１ｂとが連通するように開口し、三方バルブ１０２は、口１０２ａと口１０２ｂとが連通するように開口し、三方バルブ１０３は、口１０３ａと口１０３ｂとが連通するように開口している。このような状態で、水蒸気供給器１３を作動すると共に、空気ポンプ１２を作動して空気１を水蒸気４と共に電池本体１１に供給する一方、水素ポンプ１５を作動して水素ボンベ１４からの水素ガス２を水蒸気４と共に電池本体１１に配管１１２を介して供給すると、電池本体１１は、これらガス１，２を電気化学的に反応させて電力を発生し、外部に給電することができる。
【００２３】
電池本体１１内の未反応の残空気１ａは、配管１１３を介して外部へ排出される。他方、電池本体１１内の未反応の残水素ガス２ａは、配管１１４，１１５および水素ポンプ１５を介して気液分離器１６に送給され、固体高分子電解質の加湿のために供給された前記水蒸気４のあまりから生じた水分４ａを除去された後、配管１１６、三方バルブ１０１、配管１１７、三方バルブ１０２、配管１１８を介して配管１１２内に送給され、水素ボンベ１４からの新たな水素ガス２および水蒸気供給器１３からの水蒸気４と共に電池本体１１内に再び供給される。これにより、一部が上記反応に寄与することなく電池本体１１から未反応のまま排出される残水素ガス２ａを再度上記反応に使用することができ、水素の使用効率を高めることができる。
【００２４】
このようにして水素ガス２を循環利用して発電を行っている際に、制御装置１９は、電池本体１１の発電の際の電流値の累積値、言い換えれば、電池本体１１で前記反応に寄与した水素ガス２の消費量を算出し、当該電流値の累積値が規定値になる、言い換えれば、電池本体１１での水素ガス２の消費量、すなわち、系内の不純物３の蓄積量が規定値となると、当該制御装置１９は、前記三方バルブ１０１の口１０１ａと口１０１ｃとを連通させるように当該三方バルブ１０１を制御し、前記三方バルブ１０２の口１０２ｂと口１０２ｃとを連通させるように当該三方バルブ１０２を制御する。
【００２５】
これにより、電池本体１１から排出された残水素ガス２ａは、前記三方バルブ１０１から配管１１９、三方バルブ１０３，配管１２０を介して水素ガス精製装置１７に送給され、不純物３が分離されて精製され、新たな水素ガス２として配管１２１、三方バルブ１０２を介して配管１１８から配管１１２内に戻り、水素ボンベ１４からの水素ガス２および水蒸気供給器１３からの水蒸気４と共に電池本体１１内に供給されるようになる。
【００２６】
前記制御装置１９は、上記三方バルブ１０１，１０２の開口状態を上記状態で規定時間保持したら、当該三方バルブ１０１，１０２の開口状態を当初の状態に復帰させるように当該三方バルブ１０１，１０２を制御すると共に、電池本体１１の発電の際の電流値の累積値を引き続き算出する。
【００２７】
以下、上述と同様な作動を繰り返すことにより、系内の不純物３の濃度の規定値以上の上昇を防止することができ、系内の水素濃度の低下を抑制することができる。
【００２８】
このようにして残水素ガス２ａの精製処理を行っていくと、水素ガス精製装置１７のパラジウム膜に不純物３が次第に堆積していき、水素ガス精製装置１７の精製能力が低下するようになる。このため、制御装置１９は、残水素ガス２ａの精製処理が規定回数行われる、すなわち、所定の機会になると、前記三方バルブ１０３の口１０３ｂと口１０３ｃとを連通させるように当該三方バルブ１０３を制御すると共に、前記吸引ポンプ１８を作動させる。これにより、水素ガス精製装置１７のパラジウム膜に捕集された不純物３が配管１２０、三方バルブ１０３、配管１２２を介して吸引ポンプ１８に吸引され、配管１２３を介して外部へ排出されるので、水素ガス精製装置１７のパラジウム膜は、当初の状態に復帰し、精製能力が復元する。
【００２９】
このように吸引ポンプ１８を規定時間作動させると、制御装置１９は、上記三方バルブ１０３の開口状態を当初の状態に復帰させるように当該三方バルブ１０３を制御すると共に、当該吸引ポンプ１８の作動を停止させる。
【００３０】
以下、残水素ガス２ａの精製処理が規定回数行われる、すなわち、所定の機会ごとに、上述と同様な作動を繰り返すことにより、水素ガス精製装置１７の精製能力の低下を抑制することができる。
【００３１】
したがって、本実施の形態の固体高分子電解質燃料電池発電システム１０によれば、水素ガス２を循環利用しても、不純物３の系内への蓄積を抑制して、系内の水素濃度の低下を防止することができるので、水素ガス２を有効に利用しながらも発電能力の低下を抑制することができる。
【００３２】
また、電池本体１１の発電の際の電流値の累積値、言い換えれば、電池本体１１で前記反応に寄与した水素ガス２の消費量、すなわち、系内の不純物３の蓄積量に基づいて、不純物３を除去するようにしたので、高価な各種のセンサを使用しなくても、各種混在する不純物３の蓄積量を簡単に検知することができ、システムの低コスト化及び簡易化を図ることができる。
【００３３】
［第二番目の実施の形態］
本発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムの第二番目の実施の形態を図２を用いて説明する。図２は、固体高分子電解質燃料電池発電システムの概略構成図である。ただし、前述した第一番目の実施の形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、前述した第一番目の実施の形態での説明と重複する説明を省略する。
【００３４】
図２に示すように、電池本体１１の水素供給口に接続する配管１１２の途中には、前記配管１１８と連結されたエゼクタ２５が設けられている。電池本体１１の水素排出口は、気液分離器１６の受入口に前記配管１１４を介して連結している。前記三方バルブ１０３の口１０３ｂは、内部に水素吸蔵体である水素吸蔵合金を充填された水素ガス精製装置２７のガス受入口に前記配管１２０を介して連結している。この水素ガス精製装置２７のガス送出口は、三方バルブ１０４の口１０４ａに配管１２４を介して連結している。三方バルブ１０４の口１０４ｂは、配管１２５を介して系外へ連絡している。三方バルブ１０４の口１０４ｃは、前記三方バルブ１０２の前記口１０２ｃに配管１２１を介して連結している。
【００３５】
また、前記電池本体１１の空気排出口に接続する配管１１３は、三方バルブ１０５の口１０５ａに連結している。三方バルブ１０５の口１０５ｂは、配管１２６を介して系外へ連絡している。一方、前記三方バルブ１０３の口１０３ｃは、白金の微粒子をセラミックス製のハニカムにコーティングした触媒燃焼器等のような水素燃焼器２８の水素受入口に前記配管１２２を介して連結している。上記三方バルブ１０５の口１０５ｃは、上記水素燃焼器２８の空気受入口に配管１２６を介して連結している。水素燃焼器２８の燃焼ガス送出口は、前記水素ガス精製装置２７の熱媒受入口に配管１２３を介して連結している。水素ガス精製装置２７の熱媒排出口は、配管１２７を介して系外へ連絡している。
【００３６】
さらに、制御装置２９の出力部には、前記三方バルブ１０１〜１０５が電気的に接続しており、当該制御装置２９は、前記電池本体１１の発電の際の電流値の累積値等に基づいて、上記三方バルブ１０１〜１０５の開閉をそれぞれ制御するようになっている（詳細は後述する。）。
【００３７】
このような本実施の形態においては、空気ポンプ１２、配管１１１等により空気供給手段を構成し、水素ボンベ１４、配管１１２等により水素供給手段を構成し、三方バルブ１０５、配管１１３，１２６等により空気排出手段を構成し、気液分離器１６、エゼクタ２５、配管１１４〜１１８、三方バルブ１０１，１０２等により水素循環手段を構成し、三方バルブ１０１、配管１１９等により水素排出手段を構成し、水素ガス精製装置２７等により水素精製手段を構成し、三方バルブ１０４、配管１２４，１２５等により不純物排出手段を構成し、三方バルブ１０３、配管１２０、上記水素精製手段、上記不純物排出手段等により不純物分離手段を構成し、水素燃焼器２８、三方バルブ１０３，１０５、配管１２２，１２３，１２７等により加熱手段を構成し、制御手段２９等により水素排出制御手段および加熱制御手段を兼ねて構成し、上記加熱手段、上記加熱制御手段等により水素再利用手段を構成している。
【００３８】
このような構造をなす本実施の形態による固体高分子電解質燃料電池発電システム２０の作動を次に説明する。
【００３９】
当初、三方バルブ１０１は、口１０１ａと口１０１ｂとが連通するように開口し、三方バルブ１０２は、口１０２ａと口１０２ｂとが連通するように開口し、三方バルブ１０３は、口１０３ａと口１０３ｂとが連通するように開口し、三方バルブ１０４は、口１０４ａと口１０４ｂとが連通するように開口し、三方バルブ１０５は、口１０５ａと口１０５ｂとが連通するように開口している。このような状態で、水蒸気供給器１３を作動すると共に、空気ポンプ１２を作動して空気１を水蒸気４と共に電池本体１１に供給する一方、水素ボンベ１４からの水素ガス２を水蒸気４と共に電池本体１１に配管１１２を介して供給すると、電池本体１１は、前述した第一番目の実施の形態の場合と同様に、これらガス１，２を電気化学的に反応させて電力を発生し、外部に給電することができる。
【００４０】
電池本体１１内の未反応の残空気１ａは、配管１１３、三方バルブ１０５、配管１２６を介して外部へ排出される。他方、電池本体１１内の未反応の残水素ガス２ａは、配管１１４を介して気液分離器１６に送給され、固体高分子電解質の加湿のために供給された前記水蒸気４のあまりから生じた水分４ａを除去された後、配管１１６、三方バルブ１０１、配管１１７、三方バルブ１０２、配管１１８を介してエゼクタ２５内に吸引され、水素ボンベ１４からの新たな水素ガス２および水蒸気供給器１３からの水蒸気４と共に電池本体１１内に再び供給される。これにより、一部が上記反応に寄与することなく電池本体１１から未反応のまま排出される残水素ガス２ａを再度上記反応に使用することができ、水素の使用効率を高めることができる。
【００４１】
このようにして水素ガス２を循環利用して発電を行っている際に、前述した第一番目の実施の形態の場合と同様に、制御装置２９は、電池本体１１の発電の際の電流値の累積値、言い換えれば、電池本体１１で前記反応に寄与した水素ガス２の消費量を算出し、当該電流値の累積値が規定値になる、言い換えれば、電池本体１１での水素ガス２の消費量、すなわち、系内の不純物３の蓄積量が規定値となると、当該制御装置１９は、前記三方バルブ１０１の口１０１ａと口１０１ｃとを連通させるように当該三方バルブ１０１を制御する。
【００４２】
これにより、電池本体１１から排出された残水素ガス２ａは、前記三方バルブ１０１から配管１１９、三方バルブ１０３、配管１２０を介して水素ガス精製装置２７に送給され、水素吸蔵合金に水素成分が吸蔵される一方、不純物３がそのまま通過し、配管１２４、三方バルブ１０４、配管１２５を介して外部へ排出されるので、水素成分を外部へ排出することなく不純物３のみを外部へ排出することができる。
【００４３】
前記制御装置２９は、上記三方バルブ１０１の開口状態を上記状態で規定時間保持したら、当該三方バルブ１０１の開口状態を当初の状態に復帰させるように当該三方バルブ１０１を制御すると共に、電池本体１１の発電の際の電流値の累積値を引き続き算出する。
【００４４】
以下、上述と同様な作動を繰り返すことにより、系内の不純物３の濃度の規定値以上の上昇を防止することができ、系内の水素濃度の低下を抑制することができる。
【００４５】
このようにして残水素ガス２ａ中の不純物３を外部へ排出していくと、水素ガス精製装置２７の水素吸蔵合金の水素吸蔵量が次第に増加して飽和状態となる。このため、残水素ガス２ａ中からの不純物３の外部への排出処理を規定回数行うと、制御装置２９は、前記三方バルブ１０１の口１０１ａと口１０１ｃとを連通させ、前記三方バルブ１０２の口１０２ｂと口１０２ｃとを連通させ、前記三方バルブ１０３の口１０３ａと口１０３ｃとを連通させ、前記三方バルブ１０４の口１０４ａと口１０４ｃとを連通させ、前記三方バルブ１０５の口１０５ａと口１０５ｃとを連通させるように当該三方バルブ１０１〜１０５をそれぞれ制御する。
【００４６】
これにより、前記電池本体１１で使用された残水素ガス２ａが前記三方バルブ１０１，１０３を介して配管１２２から水素燃焼器２８内に送給されると共に、前記電池本体１１で使用された残空気１ａが三方バルブ１０５を介して配管１２７から水素燃焼器２８内に送給され、これらガス１ａ，２ａが水素燃焼器２８内で燃焼して燃焼ガス５を発生し、当該燃焼ガス５が配管１２３を介して水素ガス精製装置２７に送給され、前記水素吸蔵合金を加熱する。
【００４７】
水素吸蔵合金の加熱に伴って、当該水素吸蔵合金から水素ガス２が離脱して、配管１２４、三方バルブ１０４、配管１２１、三方バルブ１０２、配管１１８を介してエゼクタ２５内に吸引され、水素ボンベ１４からの新たな水素ガス２および水蒸気供給器１３からの水蒸気４と共に電池本体１１内に供給される。
【００４８】
前記制御装置２９は、上記三方バルブ１０１〜１０５の開口状態を上記状態で規定時間保持したら、当該三方バルブ１０１〜１０５の開口状態を当初の状態に復帰させるように当該三方バルブ１０１〜１０５を制御する。
【００４９】
以下、残水素ガス２ａ中の不純物３の外部への排出が規定回数行われる、すなわち、所定の機会ごとに、上述と同様な作動を繰り返す。
【００５０】
つまり、前述した第一番目の実施の形態では、系内の不純物３の濃度が規定値となったら、残水素ガス２ａを水素ガス精製装置１７のパラジウム膜に透過させることにより、不純物３をパラジウム膜で捕集し、パラジウム膜での不純物３の捕集量が多くなったら、吸引ポンプ１８で不純物３を吸い出して外部へ排出するようにしたが、本実施の形態では、系内の不純物３の濃度が規定値となったら、残水素ガス２ａを水素ガス精製装置１７の水素吸蔵合金に吸蔵させることにより、不純物３を外部へ放出し、水素吸蔵合金での水素吸蔵量が飽和状態に近づいたら、残水素ガス２ａと残空気１ａとを水素燃焼器２８で燃焼させて生じた燃焼ガス５の熱を利用して水素吸蔵合金を加熱することにより、水素吸蔵合金から水素ガス２を離脱させて再度利用するようにしたのである。
【００５１】
したがって、本実施の形態の固体高分子電解質燃料電池発電システム２０によれば、前述した第一番目の実施の形態の場合と同様に、水素ガス２を循環利用しても、不純物３の系内への蓄積を抑制して、系内の水素濃度の低下を防止することができるので、水素ガス２を有効に利用しながらも発電能力の低下を抑制することができると共に、電池本体１１の発電の際の電流値の累積値、言い換えれば、電池本体１１で前記反応に寄与した水素ガス２の消費量、すなわち、系内の不純物３の蓄積量に基づいて、不純物３を除去するようにしたので、高価な各種のセンサを使用しなくても、各種混在する不純物３の蓄積量を簡単に検知することができ、システムの低コスト化及び簡易化を図ることができる。
【００５２】
［他の実施の形態］
また、前述した第一，二番目の実施の形態において、さらに、所定の時間ごとに前記三方バルブ１０１の口１０１ａと口１０１ｃとを連通させるように前記制御装置１９，２９が当該三方バルブ１０１を制御できるようにすれば、例えば、長期（例えば数カ月）にわたって運転停止していた上記発電システム１０，２０の運転開始時に、長期にわたる運転停止によって当該発電システム１０，２０の水素ガス２の流通する系内に存在している各種不純物等を取り除くことができるので好ましい。
【００５３】
また、前述した第一，二番目の実施の形態において、電池本体１１の冷却水温度や冷却水流量、前記ガス１，２の圧力や流量や温度や湿度等のような各種の運転条件が基準値を満たすにもかかわらず、当該電池本体１１の電圧が基準値を満たさないような場合にも、前記三方バルブ１０１の口１０１ａと口１０１ｃとを連通させるように前記制御装置１９，２９が当該三方バルブ１０１を制御できるようにすると好ましい。なぜなら、上述したような運転条件が基準値を満たすにもかかわらず、当該電池本体１１の電圧が基準値を満たさないような場合には、水素ガス２の流通する系内に不純物等が混在している可能性が高いため、前述した第一，二番目の実施の形態の場合と同様に対処することにより、当該不純物等を取り除いて電池本体１１の電圧が基準値を満たすように回復させることが可能だからである。
【００５４】
また、前述した第二番目の実施の形態では、水素吸蔵体として水素吸蔵合金を適用したが、これに代えて、カーボンナノチューブを適用することも可能である。水素吸蔵体としてカーボンナノチューブを使用する場合には、カーボンナノチューブの水素吸蔵特性を高めるために当該カーボンナノチューブを冷却する冷却手段を備えると好ましい。
【００５５】
【発明の効果】
第一番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、固体高分子電解質を一対の電極で挟んだ発電セルを複数積層した電池本体と、前記電池本体に空気を供給する空気供給手段と、前記電池本体に水素を供給する水素供給手段と、前記電池本体で使用された前記空気を排出する空気排出手段と、前記電池本体で使用された前記水素を当該電池本体に再度供給する水素循環手段とを備えている固体高分子電解質燃料電池発電システムにおいて、前記水素循環手段を流通する前記水素を当該水素循環手段から排出する水素排出手段と、前記電池本体の発電の際の電流値の累積値に基づいて、前記水素排出手段を作動させる水素排出制御手段とを備えていることから、水素ガスを循環利用しても、不純物の系内への蓄積を抑制して、系内の水素濃度の低下を防止することができるので、水素ガスを有効に利用しながらも発電能力の低下を抑制することができる。また、電池本体の発電の際の電流値の累積値、言い換えれば、電池本体で前記反応に寄与した水素ガスの消費量、すなわち、系内の不純物の蓄積量に基づいて、不純物を除去するようにしたので、高価な各種のセンサを使用しなくても、各種混在する不純物の蓄積量を簡単に検知することができ、システムの低コスト化及び簡易化を図ることができる。
【００５６】
第二番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記水素循環手段から排出された前記水素と当該水素中の不純物とを分離する不純物分離手段と、前記不純物を分離された前記水素を前記電池本体に供給する水素再利用手段とを備えているので、水素ガスの有効利用率をさらに向上させることができる。
【００５７】
第三番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記不純物分離手段が、前記水素を透過させる一方、前記不純物を捕集するパラジウム膜を内蔵した水素精製手段を備えているので、水素と不純物との分離を簡単かつ確実に行うことができる。
【００５８】
第四番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第三番目の発明において、前記水素精製手段の前記パラジウム膜に捕集された前記不純物を外部へ排出する不純物排出手段と、前記不純物排出手段を所定の機会ごとに作動させる不純物排出制御手段とを備えているので、パラジウム膜の不純物捕集能力の低下を抑制することができる。
【００５９】
第五番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記不純物分離手段が、前記水素を吸蔵する一方、前記不純物を通過させる水素吸蔵体を内蔵した水素精製手段と、前記水素精製手段の前記水素吸蔵体を通過した前記不純物を外部へ排出する不純物排出手段とを備え、前記水素再利用手段が、前記水素精製手段の前記水素吸蔵体を加熱して当該水素吸蔵体から前記水素を離脱させる加熱手段と、前記加熱手段を所定の機会ごとに作動させる加熱制御手段とを備えているので、水素ガスの有効利用率をさらに向上させることができる。
【００６０】
第六番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第五番目の発明において、前記加熱手段が、前記電池本体で使用された前記水素と前記空気とを燃焼させて生じた燃焼ガスを利用して前記水素吸蔵体を加熱するので、加熱エネルギを容易に得ることができ、システムの簡易化および低コスト化を図ることができる。
【００６１】
第七番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第一番目から第六番目の発明のいずれかにおいて、前記水素排出制御手段が、前記水素排出手段を所定の時間ごとに作動させるので、例えば、長期（例えば数カ月）にわたって運転停止していた発電システムの運転開始時に、長期にわたる運転停止によって当該発電システムの水素ガスの流通する系内に存在している各種不純物等を取り除くことができる。
【００６２】
第八番目の発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムは、第一番目から第七番目の発明のいずれかにおいて、前記水素排出制御手段が、前記電池本体の冷却水温度、冷却水流量、前記空気及び前記水素の圧力、前記空気及び前記水素の流量、前記空気及び前記水素の温度、前記空気及び前記水素の湿度がそれぞれ基準値を満たす一方、当該電池本体の電圧が基準値を満たさない場合に、前記水素排出手段を作動させるので、水素ガスの流通する系内に不純物等の混在する可能性が高い上述したような場合においても、不純物を取り除いて、電池本体の電圧が基準値を満たすように回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムの第一番目の実施の形態の概略構成図である。
【図２】本発明による固体高分子電解質燃料電池発電システムの第二番目の実施の形態の概略構成図である。
【符号の説明】
１  空気
１ａ  残空気
２  水素ガス
２ａ  残水素ガス
３  不純物
４  水蒸気
４ａ  水
５  燃焼ガス
１０，２０  固体高分子電解質燃料電池発電システム
１１  電池本体
１２  空気ポンプ
１２ａ  エアフィルタ
１３  水蒸気供給器
１４  水素ボンベ
１５  水素ポンプ
１６  気液分離器
１７，２７  水素ガス精製装置
１８  吸引ポンプ
１９，２９  制御装置
２５  エゼクタ
２８  水素燃焼器
１０１〜１０５  三方バルブ
１０１ａ〜１０５ａ，１０１ｂ〜１０５ｂ，１０１ｃ〜１０５ｃ  口
１１１〜１２７  配管
【図１】
0003917883.tif 000002
【図２】
0003917883.tif 000003