JP3739826B2 - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents
固体高分子型燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP3739826B2 JP3739826B2 JP04001395A JP4001395A JP3739826B2 JP 3739826 B2 JP3739826 B2 JP 3739826B2 JP 04001395 A JP04001395 A JP 04001395A JP 4001395 A JP4001395 A JP 4001395A JP 3739826 B2 JP3739826 B2 JP 3739826B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- hydrogen
- residual
- oxygen
- circulation line
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換して、発電を行うことのできる固体高分子型燃料電池から排出される残存水素、若しくは残存酸素を、循環ポンプ、若しくはコンプレッサを使用することなく、再度固体高分子型燃料電池に、循環させることのできる固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００２】
また、本発明は不純物が多く蓄積された残存水素、若しくは残存酸素をパージして、燃料電池本体に供給される燃料水素又は酸化剤酸素の水素分圧、若しくは酸素分圧を高めて、発電出力を高めることのできる固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、図６に示すように、水素ガスの電極反応で生成する水素イオンと電子のうち、水素イオンのみを通過させる特性を持つ電解質１に、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜等の高分子イオン交換膜を用い、電解質１の両側に、例えば、白金系触媒等を用い、酸化、あるいは還元反応を起させる触媒電極層２，３を、それぞれ配置し、さらに、触媒電極層２，３を担持させた多孔質のカーボン電極４，５をそれぞれ備えた電極接合体６構造を、多層積層して構成した燃料電池本体１０と、カーボン電極４，５間に設けられた外部回路７で構成するようにしたものがある。
【０００４】
この様に構成された、燃料電池本体１０のカーボン電極のアノード極４側に供給された、加湿された燃料ガス中の水素は、触媒電極層のアノード極２上で、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応を行い、水素イオン化され、水素イオンＨ＋は電解質１中を水の介在のもと、Ｈ＋ｘＨ２Ｏとして、カーボン電極のカソード極５側へ、水と共に移動する。
【０００５】
移動した水素イオンＨ＋は、触媒電極層のカソード極３上で、カソード極５側に供給された、空気等の酸化剤ガス中の酸素、及び外部回路７を流通してきた電子と反応して、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応を行い、水を生成し、その生成水は、カソード極３，５より燃料電池本体１０外へ排出されることになる。このとき、外部回路７を流通する電子流れを直流の電気エネルギーとして利用するようにしている。
【０００６】
なお、電解質１となる高分子イオン交換膜においては、前述のように水素イオンＨ＋透過性を実現させるためには、常に充分なる保水状態に保持しておく必要があり、通常、燃料ガス、および酸化剤ガスに、電池の運転温度（常温〜１００℃程度）近辺相当の飽和水蒸気を含ませ、すなわち、加湿した燃料ガス、および酸化剤ガスを燃料電池本体１０に供給し、高分子イオン交換膜１の保水状態を保つようにしている。
【０００７】
図７に、このような固体高分子型燃料電池を用いて発電を行う、従来の固体高分子型燃料電池システムの一例を示す。
このシステムにおいては、電気化学反応を起して発電を行う水素、および酸素は、それぞれ、例えばボンベのような燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からの燃料ガス、酸化剤ガスによって供給される。
【０００８】
これらの燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からの燃料ガス、および酸化剤ガスは、燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６によって、水素側締切り弁２２、および酸素側締切り弁２３を経由して水素側減圧弁１９、および酸素側減圧弁２０にそれぞれ送られ、これらの減圧弁１９，２０で調圧後、加温、加湿するために、それぞれ水素加湿装置１１、および酸素加湿装置１２にそれぞれ導入される。
燃料ガス中の水素、および酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０のアノード極２，４およびカソード極３，５へとそれぞれ導入され、前述の通り電気エネルギーを発生する。
【０００９】
また、燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った水素、または酸素、いわゆる残存水素、または残存酸素は、電気化学反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０外に排出される。
【００１０】
この燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ残存水素循環ライン２９に設置された水素気水分離器１３、残存水素循環ライン３０に設置された酸素気水分離器１４により気水分離され、水素循環ポンプ、またはコンプレッサ（以下、水素コンプレッサという）１５、水素逆止弁１７、および残存酸素循環ライン３０に設置された酸素循環ポンプ、またはコンプレッサ（以下、酸素コンプレッサという）１６、酸素逆止弁１８を介して、燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９から燃料電池本体１０へ、それぞれ通ずる燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６にそれぞれ戻され、燃料ガスおよび酸化剤ガスと混合して、燃料水素、酸化剤酸素として、燃料電池本体１０のアノード極２，４およびカソード極３，５に、それぞれ再度導入され、循環利用されるようになっている。
なお、同図において、２２は水素側締切弁、２３は酸素側締切弁、２４はインバータ制御装置２１から外部へ出力される電気出力である。
【００１１】
しかしながら、このように構成された従来の固体高分子型燃料電池システムによる発電では、次のような不具合があった。
【００１２】
（１）水素コンプレッサ１５、および酸素コンプレッサ１６は、それぞれ燃料電池本体１０で発電した電力を、インバータ制御装置２１から供給されて作動する、コンプレッサ駆動用モータ２７，２８で駆動されるようになっているため、固体高分子型燃料電池システム全体としての電気出力、いわゆる送電端出力が小さくなる。
【００１３】
（２）水素コンプレッサ１５、および酸素コンプレッサ１６は、その動力軸部からの循環させる水素ガス、および酸素ガスのリーク防止のために、この部分に高度なシール技術が必要となり、これが機器のコスト上昇を招くとともに、運用上においても、機器、あるいはシステム全体の信頼性を低下させることとなる。
【００１４】
（３）供給圧力を持つ燃料ガス、または酸化剤ガスを、それぞれ減圧弁１９，２０で、わざわざ燃料電池本体１０の必要とする供給圧力にまで減圧して、燃料電池本体１０に供給しており、燃料ガスまたは酸化剤ガスの保有する圧力は、利用・回収されてなく、エネルギ的な無駄が発生しており、システムとしての効率化が充分でない。
【００１５】
（４）また、燃料供給装置８、または酸化剤供給装置９から燃料電池本体１０へ供給される燃料ガス中、または酸化剤ガス中には、例えば、アルゴン、窒素等の不純物が微量含まれているが、これらの不純物は、燃料電池本体１０の電池反応により消費されず残存水素、または残存酸素中に残り、それぞれ燃料電池本体１０への燃料ガス供給ライン２５、酸化剤ガス供給ライン２６に戻り循環利用されるため蓄積が進んでくる。その結果、燃料電池本体１０に供給される燃料水素中、または酸化剤酸素中の不純物ガスの濃度、すなわち分圧が上昇し、水素分圧、または酸素分圧が低下するため、発電出力が低下することとなる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の固体高分子型燃料電池システムの、上述した不具合を解消し、システム全体としての電気出力、いわゆる送電端出力を向上できるとともに、システムに採用される機器コストを安く、システム全体の信頼性が向上でき、しかも効率の良い発電ができる固体高分子型燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に示す、本発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、次の手段を採用した。
【００１８】
（１）燃料電池本体から排出される残存水素または残存酸素の少くとも一方の残存ガスを、前記残存ガスと同種の供給ガスの供給装置から前記燃料電池本体へ供給する供給ラインに戻して電池反応に再使用するようにした循環ラインを設けた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記循環ラインに、前記燃料電池本体から排出される前記残存ガスを吸引して前記供給ラインに移送するエジェクターを設け、前記循環ラインが、前記供給ラインに設置された加湿器と前記燃料電池本体の間を連通した冷却水循環ラインと、前記冷却水循環ラインに前記燃料電池本体から排出される水と混合した前記残存ガスを導入する排水管と、前記冷却水循環ラインで前記加湿器へ移送された前記残存ガスを気水分離して前記供給ラインに戻す前記加湿器に付設された気水分離器からなり、前記エジェクターが、前記冷却水循環ラインを流れる冷却水で駆動され、水を含む前記残存ガスを前記排水管から冷却水循環ラインに吸引して、前記加湿器へ移送するようにした。
【００１９】
また、請求項２に示す、他の本発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、上記（１）に加え、次の手段を採用した。
（２）前記循環ラインに設けられ、前記循環ラインを流れる前記残存ガスの不純物濃度を検出する濃度計と、前記循環ラインに設けられ、前記不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越えた場合に開いて、前記残存ガスを前記循環ラインからパージするパージ弁とを備えた。
【００２０】
また、請求項３に示す、他の本発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、上記（１）に加え、次の手段を採用した。
（３）前記排水管に設けられ、前記排水管を流れる前記残存ガスの不純物濃度を検出する濃度計と、前記排水管に設けられ、前記不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越えた場合に開いて、前記残存ガスを前記排水管からパージするパージ弁とを備えた。
【００２１】
【作用】
本発明の請求項１に示す固体高分子型燃料電池システムによれば、上述（１）の手段により、以下のように作用する。
【００２２】
（１）燃料電池本体から排出された残存水素、または残存酸素を、水素コンプレッサ、または、酸素コンプレッサを用いずに、循環ラインに配置したエジェクタにより吸引し、燃料電池本体への燃料ガス供給ライン、または酸化剤ガス供給ラインにそれぞれ戻し、燃料水素、または酸化剤酸素の閉ループを形成し、それぞれを循環させることができる。これにより、水素コンプレッサ、または酸素コンプレッサが、エジェクターに置き換えられ、水素コンプレッサ、または酸素コンプレッサに必要であった、循環させる残存ガスのリーク防止のための高度なシール技術が不要となり、運用上、機器、あるいは燃料電池システム全体の信頼性が向上するとともに、機器のコストを下げることができる。
また、このためのモータが不要になるため、動力軸部からの外部への残存ガスのリークの心配もなくなり、これらの機器のコストが低減できるとともに、システムの信頼性を向上させることができる。
また、このためのモータが不要になるため、動力軸部からの外部への残存ガスのリークの心配もなくなり、これらの機器のコストが低減できるとともに、システムの信頼性を向上させることができる。
更に、循環ラインが、元々敷設されてある冷却水循環ラインの１部を共用するのでシステムがコンパクトに纏まるとともに、エジェクターが冷却水循環ラインを流される冷却水で駆動されるので、従来必要であった水素コンプレッサ、または酸素コンプレッサ、およびこれらを駆動するための駆動装置および電力等の残存ガスを移送するための駆動力が不要となるため、システム全体の出力が上がり、システム効率を高められる。
また、気水分離器を加湿器に付設して設けたことにより、燃料電池本体周辺に気体分離器を設置する必要がなく、システムがコンパクトにできるとともに、スペースに自由度が生じる。
【００２３】
また、本発明の請求項２又は３に示す固体高分子型燃料電池システムによれば、上述（１）に加え、上述（２）又は（３）の手段により、燃料電池本体に供給される残存ガスが混入した燃料ガス中、または酸化剤ガス中の不純物濃度が基準値を越え、発電出力が低下した場合、パージ弁を開き、残存ガスを燃料ガス供給ライン、または酸化剤ガス供給ラインに戻す循環ラインまたは排水管内を、それぞれ燃料電池本体から排出された残存水素、残存酸素でパージする。その結果、燃料電池システムの運転に伴い、燃料水素、または酸化剤酸素に蓄積された不純物がパージされ、燃料電池本体に供給される燃料水素の水素分圧、または酸化剤酸素の酸素分圧が回復し、発電出力が回復効率の良い発電ができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例を図面にもとづき説明する。
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池システムの第一実施例を示すブロック図、図２は、本発明に関連して検討した第一検討例を示すブロック図、図３は、本発明に関連して検討した第二検討例を示すブロック図、図４は、第二実施例を示すブロック図、図５は、本発明に関連して検討した第三検討例を示すブロック図である。
なお、これらの図において、図７において示した符番と同一符番のものは、図７の説明で説明したものと類似、若しくは同一のものであり、詳細説明は省略する。
【００２５】
図１において、燃料ガス、および酸化剤ガスからなる供給ガスは、燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からなる供給装置よりそれぞれ締切弁２２，２３を経由して、減圧弁１９，２０に燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６からなる、供給ラインを通じて供給され、減圧弁１９，２０で一部調圧後、それぞれ加温、加湿するために、供給ライン２５，２６にそれぞれ設けられた気水分離器を兼ねた、水素加湿器３１、および酸素加湿器３２からなる加湿器それぞれに導入される。
【００２６】
燃料ガス中の水素、または酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０へと導入され、前述の通り、電気エネルギーを発生させ、インバータ制御装置２１へ発生した電力を出力し、インバータ制御装置２１で周波数等が整えられ、電気出力２４として、外部の回路へ出力される。また、燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った残存水素、または残存酸素は、電池反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０から残存水素排水管３３、および残存酸素排水管３４からなる排水管にそれぞれ排出される。
【００２７】
一方、燃料電池本体１０内での発電を効率良く行うために、燃料電池本体１０内の温度を制御する冷却水は、燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６にそれぞれ設置された、気水分離器を兼ねた加湿器３１，３２から、加湿器３１，３２と燃料電池本体１０との間に、それぞれ連通して設けられた水素側冷却水循環ライン３７、および酸素側冷却水循環ライン３８からなる、冷却水循環ラインにそれぞれ設置された、冷却水循環ポンプ３５，３６を介して燃料電池本体１０に導かれ、燃料電池本体１０を冷却し、燃料電池本体１０外にそれぞれ排出される。
排出された冷却水は、気水分離器を兼ねた加湿器３１，３２にそれぞれに戻され、冷却水の閉ループを形成し、循環利用される。
【００２８】
前述した生成水、および加湿水とともに、燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ、排水管３３，３４を通って、冷却水循環ライン３７，３８にそれぞれ配置された水素側エジェクター３９、および酸素側エジェクター４０からなるエジェクターにより、冷却水循環ライン３７，３８に、それぞれに吸引され、それぞれ燃料電池本体１０への燃料ガス供給ライン２５、酸化剤ガス供給ライン２６に、それぞれ設けられた気水分離器を兼ねた加湿器３１，３２に戻され、気水分離され、供給ライン２５，２６で燃料電池本体１０へ供給される燃料ガスまたは酸化剤ガス中に戻され、燃料電池本体１０の燃料水素、酸化剤酸素として循環利用され、燃料水素、または酸化剤酸素の閉ループを形成する。
【００２９】
このように、本実施例においては、燃料電池本体１０から排出される残存水素、および残存酸素を、燃料ガス供給ライン２５および酸化剤ガス供給ライン２６に、それぞれ戻すための循環ラインが、この種の燃料電池システムにおいて、元々設けられている冷却水循環ライン３７，３８の一部を兼用するとともに、冷却水循環ライン３７，３８を流れる冷却水で駆動される、エジェクター３９，４０で燃料電池本体１０から、供給ライン２５，２６に戻すようにしたので、配管が少くでき、燃料電池システムをコンパクトに纏めることができるとともに、残存ガスのリークの問題が解消でき、機器、若しくはシステム全体を信頼性の高いものにできる。
さらに、動力を必要としないことにより、出力効率の向上をはかることができる。
【００３０】
次に、図２により本発明の固体高分子型燃料電池システムに関連して検討した第一検討例を説明する。
図に示すように、本検討例においては、燃料ガス、又は酸化剤ガスは、それぞれ、例えばボンベのような圧力を持った燃料供給装置８、酸化剤供給装置９より供給され、減圧弁１９，２０で一部調圧後、それぞれ水素エジェクター４１、酸素エジェクター４２に導入される。
ここで、最終的に燃料電池本体１０に供給するのに必要な所定圧力にまで減圧膨張させ、この圧力膨張によって、燃料電池本体より循環ライン２９，３０を流れてくる残存水素、または残存酸素を吸引する吸引力が、それぞれのエジェクター４１，４２内に発生する。
燃料電池本体１０に供給するための所定圧力になった燃料ガス、又は酸化剤ガスは、それぞれ加温、加湿するために水素加湿装置１１、または酸素加湿装置１２に導入される。燃料ガス中の水素、または酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０へと導入される。
【００３１】
また、燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った残存水素、または残存酸素は、電池反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体外に排出される。
燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ水素気水分離器１３、または酸素気水分離器１４により気水分離され、逆止弁１７，１８を通り、燃料電池本体１０から前記した水素エジェクター４１、および酸素エジェクター４２のそれぞれの吸引口に連結された、残存水素循環ライン２９および残存酸素循環ライン３０を通って、水素エジェクター４１、または酸素エジェクター４２のそれぞれに吸引導入される。
【００３２】
水素エジェクター４１、または酸素エジェクター４２に吸引導入された残存水素、または残存酸素は、それぞれ供給ライン２５，２６によって燃料電池本体１０に供給される燃料ガス、または酸化剤ガスと混合し、水素供給ライン２５、酸素供給ライン２６のそれぞれへ戻され、再び燃料電池本体１０の燃料水素、酸化剤酸素として循環利用されるようになっている。
【００３３】
本検討例において、残存ガスを循環させる水素エジェクター４１、および酸素エジェクターは、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれが持った圧力を利用して駆動されるので、第一実施例のものに比較して、残存ガスの循環に要する動力が、さらに低減できる出力効率の向上をはかることができる。
また、本検討例においても、第一実施例と同様に残存ガスのリークの問題が解消できて、機器コストを安くでき、しかもシステム全体の信頼性を向上できる。
【００３４】
次に、図３により本発明の固体高分子型燃料電池システムに関連して検討した第二検討例を説明する。
図に示すように、本検討例においては、燃料ガス、または酸化剤ガスは、それぞれ燃料供給装置８、酸化剤供給装置９より供給され、減圧弁１９，２０で調圧後、それぞれ加温、加湿するために、水素加湿器１１、または酸素加湿器１２に導入される。燃料ガス中の水素、または酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０へと導入される。
【００３５】
燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った残存水素、または残存酸素は、電池反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０外に排出される。
燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ水素気水分離器１３、酸素気水分離器１４により気水分離され、水素コンプレッサ１５、水素逆止弁１７、酸素コンプレッサ１６、酸素逆止弁１８を介して、燃料電池本体１０へ通ずる水素供給ライン２５、酸素供給ライン２６にそれぞれ戻され、循環利用される。
【００３６】
また、燃料電池本体１０から排出される残存水素、または残存酸素を、供給ライン２５，２６のそれぞれに戻す循環ライン２９，３０のそれぞれには、パージ弁４３，４４が設けられており、燃料ガスと混合する残存水素、または酸化剤ガスと混合する残存酸素の循環ライン内での不純物濃度を濃度計４５，４６でそれぞれ検知して、不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越え、発電出力が低下してきた場合は、パージ弁を開き、循環ライン２９，３０内を、それぞれ燃料電池本体１０から排出された残存水素、残存酸素でパージする。
その結果、燃料電池システムの運転に伴い、燃料水素、または酸化剤酸素の循環ループ内に蓄積された不純物がパージされ、燃料電池本体１０に供給される燃料水素、および酸化剤酸素の水素分圧および酸素分圧を上げて、発電出力を増加させる。
【００３７】
次に、図４により本発明の固体高分子型燃料電池システムの第二実施例を説明する。
図に示すように、本実施例は図１に示す第一実施例に、図３に示す第二検討例のパージ弁４３，４４を設置したものである。
【００３８】
すなわち、燃料電池本体１０から排水管３３，３４で生成水、加湿水とともに排出される残存ガスを、冷却水循環ライン３７，３８に、それぞれ設けた水素側エジェクター３９、および酸素側エジェクター４０で吸引して、気水分離器付加湿器３１，３２へ冷却水と共に移送するようにしたものにおいて、残存水素排水管３３、および残存酸素排水管３４のそれぞれに、濃度計４５，４６、および濃度計４５，４６のそれぞれの信号で作動するパージ弁４３，４４を設置した。
本実施例によれば、第一実施例と第二検討例の作用効果が同時に得られる。
【００３９】
次に、図５により本発明の固体高分子型燃料電池システムに関連して検討した第三検討例を説明する。図に示すように、本検討例は図２に示す第一検討例に、図３に示す第二検討例のパージ弁４３，４４を設置したものである。
【００４０】
すなわち、燃料電池本体１０から循環ライン２９，３０で生成水，加湿水とともに排出され、気水分離器１３，１４で気水分離された残存ガスを、供給ライン２５，２６にそれぞれ設けた水素エジェクター４１、および酸素エジェクター４２で吸引して、供給ライン２５，２６に移送するようにしたものにおいて、残存水素循環ライン２９、および残存酸素循環ライン３０のそれぞれに、濃度計４５，４６、および濃度計４５，４６のそれぞれの信号で作動するパージ４３，４４を設置した。
本検討例によれば、第一検討例と第二検討例の作用効果が同時に得られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体高分子型燃料電池によれば、特許請求の範囲に示す構成により、次の効果が得られる。
【００４２】
（１）電気エネルギーを発生させるときに燃料電池本体から排出される残存ガスを、燃料電池本体へ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するそれぞれの供給ラインへ移送する時に生じる、残存ガスリーク防止のための高度なシール技術が不要となり、運用上、機器、あるいはシステム全体の信頼性が向上するとともに、機器のコストを下げることができる。
また、残存ガスを移送する機器の駆動電力が不要となるため、システム全体の出力が上がり、システム効率を高められる。
【００４３】
（２）供給圧力を持った燃料ガス、または酸化剤ガスの圧力を回収して有効利用しており、エネルギー的に無駄がなく、システム効率を上げることができ、効率よい固体高分子型燃料電池システムを構成することができる。
【００４４】
（３）燃料電池システムの運転に伴い、燃料水素、または酸化剤酸素の循環ループ内に蓄積された不純物がパージされ、水素分圧、または酸素分圧が回復し、発電出力が回復し、発電効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の固体高分子型燃料電池システムの第一実施例を示すブロック図、
【図２】 本発明に関連して検討した第一検討例を示すブロック図、
【図３】 本発明に関連して検討した第二検討例を示すブロック図、
【図４】 本発明の第二実施例を示すブロック図、
【図５】 本発明に関連して検討した第三検討例を示すブロック図、
【図６】 固体高分子型燃料電池の発電原理及び構造模型図、
【図７】 従来の固体高分子型燃料電池システムの一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 電解質
２ 触媒電極層（アノード極）
３ 触媒電極層（カソード極）
４ カーボン電極（アノード極）
５ カーボン電極（カソード極）
６ 電極接合体
７ 外部回路
８ 燃料供給装置
９ 酸化剤供給装置
１０ 燃料電池本体
１１ 水素加湿装置
１２ 酸素加湿装置
１３ 水素気水分離器
１４ 酸素気水分離器
１５ 水素コンプレッサ
１６ 酸素コンプレッサ
１７ 水素逆止弁
１８ 酸素逆止弁
１９ 水素側減圧弁
２０ 酸素側減圧弁
２１ インバータ制御装置
２２ 水素側締切弁
２３ 酸素側締切弁
２４ 電気出力
２５ 燃料ガス供給ライン
２６ 酸化剤ガス供給ライン
２７ 水素コンプレッサ駆動用モータ
２８ 酸素コンプレッサ駆動用モータ
２９ 残存水素循環ライン
３０ 残存酸素循環ライン
３１ 水素加湿器（気水分離器付）
３２ 酸素加湿器（気水分離器付）
３３ 残存水素排水管
３４ 残存酸素排水管
３５ 冷却水循環ポンプ（水素側）
３６ 冷却水循環ポンプ（酸素側）
３７ 水素側冷却水循環ライン
３８ 酸素側冷却水循環ライン
３９ 水素側エジェクター
４０ 酸素側エジェクター
４１ 水素エジェクター
４２ 酸素エジェクター
４３ パージ弁（水素側）
４４ パージ弁（酸素側）
４５ 濃度計（水素側）
４６ 濃度計（酸素側)
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換して、発電を行うことのできる固体高分子型燃料電池から排出される残存水素、若しくは残存酸素を、循環ポンプ、若しくはコンプレッサを使用することなく、再度固体高分子型燃料電池に、循環させることのできる固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００２】
また、本発明は不純物が多く蓄積された残存水素、若しくは残存酸素をパージして、燃料電池本体に供給される燃料水素又は酸化剤酸素の水素分圧、若しくは酸素分圧を高めて、発電出力を高めることのできる固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、図６に示すように、水素ガスの電極反応で生成する水素イオンと電子のうち、水素イオンのみを通過させる特性を持つ電解質１に、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜等の高分子イオン交換膜を用い、電解質１の両側に、例えば、白金系触媒等を用い、酸化、あるいは還元反応を起させる触媒電極層２，３を、それぞれ配置し、さらに、触媒電極層２，３を担持させた多孔質のカーボン電極４，５をそれぞれ備えた電極接合体６構造を、多層積層して構成した燃料電池本体１０と、カーボン電極４，５間に設けられた外部回路７で構成するようにしたものがある。
【０００４】
この様に構成された、燃料電池本体１０のカーボン電極のアノード極４側に供給された、加湿された燃料ガス中の水素は、触媒電極層のアノード極２上で、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応を行い、水素イオン化され、水素イオンＨ＋は電解質１中を水の介在のもと、Ｈ＋ｘＨ２Ｏとして、カーボン電極のカソード極５側へ、水と共に移動する。
【０００５】
移動した水素イオンＨ＋は、触媒電極層のカソード極３上で、カソード極５側に供給された、空気等の酸化剤ガス中の酸素、及び外部回路７を流通してきた電子と反応して、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応を行い、水を生成し、その生成水は、カソード極３，５より燃料電池本体１０外へ排出されることになる。このとき、外部回路７を流通する電子流れを直流の電気エネルギーとして利用するようにしている。
【０００６】
なお、電解質１となる高分子イオン交換膜においては、前述のように水素イオンＨ＋透過性を実現させるためには、常に充分なる保水状態に保持しておく必要があり、通常、燃料ガス、および酸化剤ガスに、電池の運転温度（常温〜１００℃程度）近辺相当の飽和水蒸気を含ませ、すなわち、加湿した燃料ガス、および酸化剤ガスを燃料電池本体１０に供給し、高分子イオン交換膜１の保水状態を保つようにしている。
【０００７】
図７に、このような固体高分子型燃料電池を用いて発電を行う、従来の固体高分子型燃料電池システムの一例を示す。
このシステムにおいては、電気化学反応を起して発電を行う水素、および酸素は、それぞれ、例えばボンベのような燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からの燃料ガス、酸化剤ガスによって供給される。
【０００８】
これらの燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からの燃料ガス、および酸化剤ガスは、燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６によって、水素側締切り弁２２、および酸素側締切り弁２３を経由して水素側減圧弁１９、および酸素側減圧弁２０にそれぞれ送られ、これらの減圧弁１９，２０で調圧後、加温、加湿するために、それぞれ水素加湿装置１１、および酸素加湿装置１２にそれぞれ導入される。
燃料ガス中の水素、および酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０のアノード極２，４およびカソード極３，５へとそれぞれ導入され、前述の通り電気エネルギーを発生する。
【０００９】
また、燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った水素、または酸素、いわゆる残存水素、または残存酸素は、電気化学反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０外に排出される。
【００１０】
この燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ残存水素循環ライン２９に設置された水素気水分離器１３、残存水素循環ライン３０に設置された酸素気水分離器１４により気水分離され、水素循環ポンプ、またはコンプレッサ（以下、水素コンプレッサという）１５、水素逆止弁１７、および残存酸素循環ライン３０に設置された酸素循環ポンプ、またはコンプレッサ（以下、酸素コンプレッサという）１６、酸素逆止弁１８を介して、燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９から燃料電池本体１０へ、それぞれ通ずる燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６にそれぞれ戻され、燃料ガスおよび酸化剤ガスと混合して、燃料水素、酸化剤酸素として、燃料電池本体１０のアノード極２，４およびカソード極３，５に、それぞれ再度導入され、循環利用されるようになっている。
なお、同図において、２２は水素側締切弁、２３は酸素側締切弁、２４はインバータ制御装置２１から外部へ出力される電気出力である。
【００１１】
しかしながら、このように構成された従来の固体高分子型燃料電池システムによる発電では、次のような不具合があった。
【００１２】
（１）水素コンプレッサ１５、および酸素コンプレッサ１６は、それぞれ燃料電池本体１０で発電した電力を、インバータ制御装置２１から供給されて作動する、コンプレッサ駆動用モータ２７，２８で駆動されるようになっているため、固体高分子型燃料電池システム全体としての電気出力、いわゆる送電端出力が小さくなる。
【００１３】
（２）水素コンプレッサ１５、および酸素コンプレッサ１６は、その動力軸部からの循環させる水素ガス、および酸素ガスのリーク防止のために、この部分に高度なシール技術が必要となり、これが機器のコスト上昇を招くとともに、運用上においても、機器、あるいはシステム全体の信頼性を低下させることとなる。
【００１４】
（３）供給圧力を持つ燃料ガス、または酸化剤ガスを、それぞれ減圧弁１９，２０で、わざわざ燃料電池本体１０の必要とする供給圧力にまで減圧して、燃料電池本体１０に供給しており、燃料ガスまたは酸化剤ガスの保有する圧力は、利用・回収されてなく、エネルギ的な無駄が発生しており、システムとしての効率化が充分でない。
【００１５】
（４）また、燃料供給装置８、または酸化剤供給装置９から燃料電池本体１０へ供給される燃料ガス中、または酸化剤ガス中には、例えば、アルゴン、窒素等の不純物が微量含まれているが、これらの不純物は、燃料電池本体１０の電池反応により消費されず残存水素、または残存酸素中に残り、それぞれ燃料電池本体１０への燃料ガス供給ライン２５、酸化剤ガス供給ライン２６に戻り循環利用されるため蓄積が進んでくる。その結果、燃料電池本体１０に供給される燃料水素中、または酸化剤酸素中の不純物ガスの濃度、すなわち分圧が上昇し、水素分圧、または酸素分圧が低下するため、発電出力が低下することとなる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の固体高分子型燃料電池システムの、上述した不具合を解消し、システム全体としての電気出力、いわゆる送電端出力を向上できるとともに、システムに採用される機器コストを安く、システム全体の信頼性が向上でき、しかも効率の良い発電ができる固体高分子型燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に示す、本発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、次の手段を採用した。
【００１８】
（１）燃料電池本体から排出される残存水素または残存酸素の少くとも一方の残存ガスを、前記残存ガスと同種の供給ガスの供給装置から前記燃料電池本体へ供給する供給ラインに戻して電池反応に再使用するようにした循環ラインを設けた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記循環ラインに、前記燃料電池本体から排出される前記残存ガスを吸引して前記供給ラインに移送するエジェクターを設け、前記循環ラインが、前記供給ラインに設置された加湿器と前記燃料電池本体の間を連通した冷却水循環ラインと、前記冷却水循環ラインに前記燃料電池本体から排出される水と混合した前記残存ガスを導入する排水管と、前記冷却水循環ラインで前記加湿器へ移送された前記残存ガスを気水分離して前記供給ラインに戻す前記加湿器に付設された気水分離器からなり、前記エジェクターが、前記冷却水循環ラインを流れる冷却水で駆動され、水を含む前記残存ガスを前記排水管から冷却水循環ラインに吸引して、前記加湿器へ移送するようにした。
【００１９】
また、請求項２に示す、他の本発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、上記（１）に加え、次の手段を採用した。
（２）前記循環ラインに設けられ、前記循環ラインを流れる前記残存ガスの不純物濃度を検出する濃度計と、前記循環ラインに設けられ、前記不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越えた場合に開いて、前記残存ガスを前記循環ラインからパージするパージ弁とを備えた。
【００２０】
また、請求項３に示す、他の本発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、上記（１）に加え、次の手段を採用した。
（３）前記排水管に設けられ、前記排水管を流れる前記残存ガスの不純物濃度を検出する濃度計と、前記排水管に設けられ、前記不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越えた場合に開いて、前記残存ガスを前記排水管からパージするパージ弁とを備えた。
【００２１】
【作用】
本発明の請求項１に示す固体高分子型燃料電池システムによれば、上述（１）の手段により、以下のように作用する。
【００２２】
（１）燃料電池本体から排出された残存水素、または残存酸素を、水素コンプレッサ、または、酸素コンプレッサを用いずに、循環ラインに配置したエジェクタにより吸引し、燃料電池本体への燃料ガス供給ライン、または酸化剤ガス供給ラインにそれぞれ戻し、燃料水素、または酸化剤酸素の閉ループを形成し、それぞれを循環させることができる。これにより、水素コンプレッサ、または酸素コンプレッサが、エジェクターに置き換えられ、水素コンプレッサ、または酸素コンプレッサに必要であった、循環させる残存ガスのリーク防止のための高度なシール技術が不要となり、運用上、機器、あるいは燃料電池システム全体の信頼性が向上するとともに、機器のコストを下げることができる。
また、このためのモータが不要になるため、動力軸部からの外部への残存ガスのリークの心配もなくなり、これらの機器のコストが低減できるとともに、システムの信頼性を向上させることができる。
また、このためのモータが不要になるため、動力軸部からの外部への残存ガスのリークの心配もなくなり、これらの機器のコストが低減できるとともに、システムの信頼性を向上させることができる。
更に、循環ラインが、元々敷設されてある冷却水循環ラインの１部を共用するのでシステムがコンパクトに纏まるとともに、エジェクターが冷却水循環ラインを流される冷却水で駆動されるので、従来必要であった水素コンプレッサ、または酸素コンプレッサ、およびこれらを駆動するための駆動装置および電力等の残存ガスを移送するための駆動力が不要となるため、システム全体の出力が上がり、システム効率を高められる。
また、気水分離器を加湿器に付設して設けたことにより、燃料電池本体周辺に気体分離器を設置する必要がなく、システムがコンパクトにできるとともに、スペースに自由度が生じる。
【００２３】
また、本発明の請求項２又は３に示す固体高分子型燃料電池システムによれば、上述（１）に加え、上述（２）又は（３）の手段により、燃料電池本体に供給される残存ガスが混入した燃料ガス中、または酸化剤ガス中の不純物濃度が基準値を越え、発電出力が低下した場合、パージ弁を開き、残存ガスを燃料ガス供給ライン、または酸化剤ガス供給ラインに戻す循環ラインまたは排水管内を、それぞれ燃料電池本体から排出された残存水素、残存酸素でパージする。その結果、燃料電池システムの運転に伴い、燃料水素、または酸化剤酸素に蓄積された不純物がパージされ、燃料電池本体に供給される燃料水素の水素分圧、または酸化剤酸素の酸素分圧が回復し、発電出力が回復効率の良い発電ができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例を図面にもとづき説明する。
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池システムの第一実施例を示すブロック図、図２は、本発明に関連して検討した第一検討例を示すブロック図、図３は、本発明に関連して検討した第二検討例を示すブロック図、図４は、第二実施例を示すブロック図、図５は、本発明に関連して検討した第三検討例を示すブロック図である。
なお、これらの図において、図７において示した符番と同一符番のものは、図７の説明で説明したものと類似、若しくは同一のものであり、詳細説明は省略する。
【００２５】
図１において、燃料ガス、および酸化剤ガスからなる供給ガスは、燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からなる供給装置よりそれぞれ締切弁２２，２３を経由して、減圧弁１９，２０に燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６からなる、供給ラインを通じて供給され、減圧弁１９，２０で一部調圧後、それぞれ加温、加湿するために、供給ライン２５，２６にそれぞれ設けられた気水分離器を兼ねた、水素加湿器３１、および酸素加湿器３２からなる加湿器それぞれに導入される。
【００２６】
燃料ガス中の水素、または酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０へと導入され、前述の通り、電気エネルギーを発生させ、インバータ制御装置２１へ発生した電力を出力し、インバータ制御装置２１で周波数等が整えられ、電気出力２４として、外部の回路へ出力される。また、燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った残存水素、または残存酸素は、電池反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０から残存水素排水管３３、および残存酸素排水管３４からなる排水管にそれぞれ排出される。
【００２７】
一方、燃料電池本体１０内での発電を効率良く行うために、燃料電池本体１０内の温度を制御する冷却水は、燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６にそれぞれ設置された、気水分離器を兼ねた加湿器３１，３２から、加湿器３１，３２と燃料電池本体１０との間に、それぞれ連通して設けられた水素側冷却水循環ライン３７、および酸素側冷却水循環ライン３８からなる、冷却水循環ラインにそれぞれ設置された、冷却水循環ポンプ３５，３６を介して燃料電池本体１０に導かれ、燃料電池本体１０を冷却し、燃料電池本体１０外にそれぞれ排出される。
排出された冷却水は、気水分離器を兼ねた加湿器３１，３２にそれぞれに戻され、冷却水の閉ループを形成し、循環利用される。
【００２８】
前述した生成水、および加湿水とともに、燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ、排水管３３，３４を通って、冷却水循環ライン３７，３８にそれぞれ配置された水素側エジェクター３９、および酸素側エジェクター４０からなるエジェクターにより、冷却水循環ライン３７，３８に、それぞれに吸引され、それぞれ燃料電池本体１０への燃料ガス供給ライン２５、酸化剤ガス供給ライン２６に、それぞれ設けられた気水分離器を兼ねた加湿器３１，３２に戻され、気水分離され、供給ライン２５，２６で燃料電池本体１０へ供給される燃料ガスまたは酸化剤ガス中に戻され、燃料電池本体１０の燃料水素、酸化剤酸素として循環利用され、燃料水素、または酸化剤酸素の閉ループを形成する。
【００２９】
このように、本実施例においては、燃料電池本体１０から排出される残存水素、および残存酸素を、燃料ガス供給ライン２５および酸化剤ガス供給ライン２６に、それぞれ戻すための循環ラインが、この種の燃料電池システムにおいて、元々設けられている冷却水循環ライン３７，３８の一部を兼用するとともに、冷却水循環ライン３７，３８を流れる冷却水で駆動される、エジェクター３９，４０で燃料電池本体１０から、供給ライン２５，２６に戻すようにしたので、配管が少くでき、燃料電池システムをコンパクトに纏めることができるとともに、残存ガスのリークの問題が解消でき、機器、若しくはシステム全体を信頼性の高いものにできる。
さらに、動力を必要としないことにより、出力効率の向上をはかることができる。
【００３０】
次に、図２により本発明の固体高分子型燃料電池システムに関連して検討した第一検討例を説明する。
図に示すように、本検討例においては、燃料ガス、又は酸化剤ガスは、それぞれ、例えばボンベのような圧力を持った燃料供給装置８、酸化剤供給装置９より供給され、減圧弁１９，２０で一部調圧後、それぞれ水素エジェクター４１、酸素エジェクター４２に導入される。
ここで、最終的に燃料電池本体１０に供給するのに必要な所定圧力にまで減圧膨張させ、この圧力膨張によって、燃料電池本体より循環ライン２９，３０を流れてくる残存水素、または残存酸素を吸引する吸引力が、それぞれのエジェクター４１，４２内に発生する。
燃料電池本体１０に供給するための所定圧力になった燃料ガス、又は酸化剤ガスは、それぞれ加温、加湿するために水素加湿装置１１、または酸素加湿装置１２に導入される。燃料ガス中の水素、または酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０へと導入される。
【００３１】
また、燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った残存水素、または残存酸素は、電池反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体外に排出される。
燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ水素気水分離器１３、または酸素気水分離器１４により気水分離され、逆止弁１７，１８を通り、燃料電池本体１０から前記した水素エジェクター４１、および酸素エジェクター４２のそれぞれの吸引口に連結された、残存水素循環ライン２９および残存酸素循環ライン３０を通って、水素エジェクター４１、または酸素エジェクター４２のそれぞれに吸引導入される。
【００３２】
水素エジェクター４１、または酸素エジェクター４２に吸引導入された残存水素、または残存酸素は、それぞれ供給ライン２５，２６によって燃料電池本体１０に供給される燃料ガス、または酸化剤ガスと混合し、水素供給ライン２５、酸素供給ライン２６のそれぞれへ戻され、再び燃料電池本体１０の燃料水素、酸化剤酸素として循環利用されるようになっている。
【００３３】
本検討例において、残存ガスを循環させる水素エジェクター４１、および酸素エジェクターは、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれが持った圧力を利用して駆動されるので、第一実施例のものに比較して、残存ガスの循環に要する動力が、さらに低減できる出力効率の向上をはかることができる。
また、本検討例においても、第一実施例と同様に残存ガスのリークの問題が解消できて、機器コストを安くでき、しかもシステム全体の信頼性を向上できる。
【００３４】
次に、図３により本発明の固体高分子型燃料電池システムに関連して検討した第二検討例を説明する。
図に示すように、本検討例においては、燃料ガス、または酸化剤ガスは、それぞれ燃料供給装置８、酸化剤供給装置９より供給され、減圧弁１９，２０で調圧後、それぞれ加温、加湿するために、水素加湿器１１、または酸素加湿器１２に導入される。燃料ガス中の水素、または酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０へと導入される。
【００３５】
燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った残存水素、または残存酸素は、電池反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０外に排出される。
燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ水素気水分離器１３、酸素気水分離器１４により気水分離され、水素コンプレッサ１５、水素逆止弁１７、酸素コンプレッサ１６、酸素逆止弁１８を介して、燃料電池本体１０へ通ずる水素供給ライン２５、酸素供給ライン２６にそれぞれ戻され、循環利用される。
【００３６】
また、燃料電池本体１０から排出される残存水素、または残存酸素を、供給ライン２５，２６のそれぞれに戻す循環ライン２９，３０のそれぞれには、パージ弁４３，４４が設けられており、燃料ガスと混合する残存水素、または酸化剤ガスと混合する残存酸素の循環ライン内での不純物濃度を濃度計４５，４６でそれぞれ検知して、不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越え、発電出力が低下してきた場合は、パージ弁を開き、循環ライン２９，３０内を、それぞれ燃料電池本体１０から排出された残存水素、残存酸素でパージする。
その結果、燃料電池システムの運転に伴い、燃料水素、または酸化剤酸素の循環ループ内に蓄積された不純物がパージされ、燃料電池本体１０に供給される燃料水素、および酸化剤酸素の水素分圧および酸素分圧を上げて、発電出力を増加させる。
【００３７】
次に、図４により本発明の固体高分子型燃料電池システムの第二実施例を説明する。
図に示すように、本実施例は図１に示す第一実施例に、図３に示す第二検討例のパージ弁４３，４４を設置したものである。
【００３８】
すなわち、燃料電池本体１０から排水管３３，３４で生成水、加湿水とともに排出される残存ガスを、冷却水循環ライン３７，３８に、それぞれ設けた水素側エジェクター３９、および酸素側エジェクター４０で吸引して、気水分離器付加湿器３１，３２へ冷却水と共に移送するようにしたものにおいて、残存水素排水管３３、および残存酸素排水管３４のそれぞれに、濃度計４５，４６、および濃度計４５，４６のそれぞれの信号で作動するパージ弁４３，４４を設置した。
本実施例によれば、第一実施例と第二検討例の作用効果が同時に得られる。
【００３９】
次に、図５により本発明の固体高分子型燃料電池システムに関連して検討した第三検討例を説明する。図に示すように、本検討例は図２に示す第一検討例に、図３に示す第二検討例のパージ弁４３，４４を設置したものである。
【００４０】
すなわち、燃料電池本体１０から循環ライン２９，３０で生成水，加湿水とともに排出され、気水分離器１３，１４で気水分離された残存ガスを、供給ライン２５，２６にそれぞれ設けた水素エジェクター４１、および酸素エジェクター４２で吸引して、供給ライン２５，２６に移送するようにしたものにおいて、残存水素循環ライン２９、および残存酸素循環ライン３０のそれぞれに、濃度計４５，４６、および濃度計４５，４６のそれぞれの信号で作動するパージ４３，４４を設置した。
本検討例によれば、第一検討例と第二検討例の作用効果が同時に得られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体高分子型燃料電池によれば、特許請求の範囲に示す構成により、次の効果が得られる。
【００４２】
（１）電気エネルギーを発生させるときに燃料電池本体から排出される残存ガスを、燃料電池本体へ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するそれぞれの供給ラインへ移送する時に生じる、残存ガスリーク防止のための高度なシール技術が不要となり、運用上、機器、あるいはシステム全体の信頼性が向上するとともに、機器のコストを下げることができる。
また、残存ガスを移送する機器の駆動電力が不要となるため、システム全体の出力が上がり、システム効率を高められる。
【００４３】
（２）供給圧力を持った燃料ガス、または酸化剤ガスの圧力を回収して有効利用しており、エネルギー的に無駄がなく、システム効率を上げることができ、効率よい固体高分子型燃料電池システムを構成することができる。
【００４４】
（３）燃料電池システムの運転に伴い、燃料水素、または酸化剤酸素の循環ループ内に蓄積された不純物がパージされ、水素分圧、または酸素分圧が回復し、発電出力が回復し、発電効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の固体高分子型燃料電池システムの第一実施例を示すブロック図、
【図２】 本発明に関連して検討した第一検討例を示すブロック図、
【図３】 本発明に関連して検討した第二検討例を示すブロック図、
【図４】 本発明の第二実施例を示すブロック図、
【図５】 本発明に関連して検討した第三検討例を示すブロック図、
【図６】 固体高分子型燃料電池の発電原理及び構造模型図、
【図７】 従来の固体高分子型燃料電池システムの一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 電解質
２ 触媒電極層（アノード極）
３ 触媒電極層（カソード極）
４ カーボン電極（アノード極）
５ カーボン電極（カソード極）
６ 電極接合体
７ 外部回路
８ 燃料供給装置
９ 酸化剤供給装置
１０ 燃料電池本体
１１ 水素加湿装置
１２ 酸素加湿装置
１３ 水素気水分離器
１４ 酸素気水分離器
１５ 水素コンプレッサ
１６ 酸素コンプレッサ
１７ 水素逆止弁
１８ 酸素逆止弁
１９ 水素側減圧弁
２０ 酸素側減圧弁
２１ インバータ制御装置
２２ 水素側締切弁
２３ 酸素側締切弁
２４ 電気出力
２５ 燃料ガス供給ライン
２６ 酸化剤ガス供給ライン
２７ 水素コンプレッサ駆動用モータ
２８ 酸素コンプレッサ駆動用モータ
２９ 残存水素循環ライン
３０ 残存酸素循環ライン
３１ 水素加湿器（気水分離器付）
３２ 酸素加湿器（気水分離器付）
３３ 残存水素排水管
３４ 残存酸素排水管
３５ 冷却水循環ポンプ（水素側）
３６ 冷却水循環ポンプ（酸素側）
３７ 水素側冷却水循環ライン
３８ 酸素側冷却水循環ライン
３９ 水素側エジェクター
４０ 酸素側エジェクター
４１ 水素エジェクター
４２ 酸素エジェクター
４３ パージ弁（水素側）
４４ パージ弁（酸素側）
４５ 濃度計（水素側）
４６ 濃度計（酸素側)
Claims (3)
- 燃料電池本体から排出される残存水素または残存酸素の少くとも一方の残存ガスを、前記残存ガスと同種の供給ガスの供給装置から前記燃料電池本体へ供給する供給ラインに戻して電池反応に再使用するようにした循環ラインを設けた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記循環ラインに、前記燃料電池本体から排出される前記残存ガスを吸引して前記供給ラインに移送するエジェクターを設け、前記循環ラインが、前記供給ラインに設置された加湿器と前記燃料電池本体の間を連通した冷却水循環ラインと、前記冷却水循環ラインに前記燃料電池本体から排出される水と混合した前記残存ガスを導入する排水管と、前記冷却水循環ラインで前記加湿器へ移送された前記残存ガスを気水分離して前記供給ラインに戻す前記加湿器に付設された気水分離器からなり、前記エジェクターが、前記冷却水循環ラインを流れる冷却水で駆動され、水を含む前記残存ガスを前記排水管から冷却水循環ラインに吸引して、前記加湿器へ移送するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
- 前記循環ラインに設けられ、前記循環ラインを流れる前記残存ガスの不純物濃度を検出する濃度計と、前記循環ラインに設けられ、前記不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越えた場合に開いて、前記残存ガスを前記循環ラインからパージするパージ弁とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記排水管に設けられ、前記排水管を流れる前記残存ガスの不純物濃度を検出する濃度計と、前記排水管に設けられ、前記不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越えた場合に開いて、前記残存ガスを前記排水管からパージするパージ弁とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04001395A JP3739826B2 (ja) | 1995-02-28 | 1995-02-28 | 固体高分子型燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04001395A JP3739826B2 (ja) | 1995-02-28 | 1995-02-28 | 固体高分子型燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08236131A JPH08236131A (ja) | 1996-09-13 |
| JP3739826B2 true JP3739826B2 (ja) | 2006-01-25 |
Family
ID=12569032
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04001395A Expired - Lifetime JP3739826B2 (ja) | 1995-02-28 | 1995-02-28 | 固体高分子型燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3739826B2 (ja) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19957444A1 (de) * | 1999-11-29 | 2001-06-13 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Brennstoffzelle mit Kreislauf des Oxidationsmittels |
| JP5132857B2 (ja) * | 2000-10-05 | 2013-01-30 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
| DE10104246C1 (de) * | 2001-01-31 | 2002-06-06 | Zsw | Brennstoffzellen mit integrierter Befeuchtung sowie Verfahren zum Befeuchten von Brennstoffzellen-Prozeßgas |
| JP3818068B2 (ja) * | 2001-02-14 | 2006-09-06 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| US6558827B1 (en) * | 2001-02-26 | 2003-05-06 | Utc Fuel Cells, Llc | High fuel utilization in a fuel cell |
| JP5021868B2 (ja) * | 2001-04-13 | 2012-09-12 | 三菱重工業株式会社 | 固体高分子型燃料電池システム |
| JP4970672B2 (ja) * | 2001-09-07 | 2012-07-11 | 株式会社Ｉｈｉエアロスペース | 燃料電池発電設備 |
| JP3588776B2 (ja) * | 2001-11-09 | 2004-11-17 | 本田技研工業株式会社 | 燃料循環式燃料電池システム |
| JP3815368B2 (ja) * | 2002-04-24 | 2006-08-30 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP4325216B2 (ja) | 2003-02-20 | 2009-09-02 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池プラントの制御装置 |
| JP4682527B2 (ja) * | 2004-04-13 | 2011-05-11 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池の制御装置 |
| JP4951892B2 (ja) * | 2005-08-19 | 2012-06-13 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 燃料電池システム |
| JP4908851B2 (ja) * | 2006-01-17 | 2012-04-04 | 三菱重工業株式会社 | 燃料電池及びその運転方法 |
| EP2017915A1 (en) * | 2007-07-09 | 2009-01-21 | Electro Power Systems S.p.A. | Self-humidifying PEM-fuel-cell-based back-up electric generator |
| JP5297273B2 (ja) * | 2009-06-15 | 2013-09-25 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
| JP5161858B2 (ja) * | 2009-10-21 | 2013-03-13 | 三菱重工業株式会社 | 固体高分子型燃料電池システムの運転方法 |
| JP2012169053A (ja) * | 2011-02-10 | 2012-09-06 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池発電システム |
| JP5737158B2 (ja) * | 2011-11-30 | 2015-06-17 | 株式会社デンソー | 燃料電池システム |
-
1995
- 1995-02-28 JP JP04001395A patent/JP3739826B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08236131A (ja) | 1996-09-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3739826B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池システム | |
| US9419292B2 (en) | Management of operation of PEM-fuel-cell-stack backup electric generator | |
| JP4873952B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP3605167B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池システム | |
| JP4486173B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池システム | |
| US20090123795A1 (en) | Condensate drainage subsystem for an electrochemical cell system | |
| JP4815666B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP3141619B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 | |
| JPH06260198A (ja) | 固体高分子電解質燃料電池システム | |
| JPH09283162A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| US20070154745A1 (en) | Purging a fuel cell system | |
| JP2002015758A (ja) | リン酸型燃料電池の運転方法 | |
| KR20030073679A (ko) | 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치 | |
| JP3705182B2 (ja) | 水循環装置 | |
| JPH11214022A (ja) | 燃料電池発電装置 | |
| JP2010061981A (ja) | 燃料電池システムの始動方法 | |
| US8153319B2 (en) | System and method for purging condensate from an electrochemical cell stack prior to operation | |
| KR100448692B1 (ko) | 연료전지 시스템의 연료 공급 장치 | |
| JPH11154528A (ja) | 燃料電池 | |
| KR20080046025A (ko) | 연료전지 스택의 작동 유체 배출장치 및 그 제어 방법 | |
| JP2006049135A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2000357530A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP3771600B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池反応生成水貯留装置 | |
| KR100539752B1 (ko) | 연료전지의 가습량 조절장치 | |
| KR100763143B1 (ko) | 연료전지의 출력저하방지장치 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040608 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040809 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20041124 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050121 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050621 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050819 |
|
| A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20050830 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20051018 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20051104 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091111 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101111 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101111 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111111 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111111 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121111 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121111 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131111 Year of fee payment: 8 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |