JP2004213978A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池内部に堆積された改質装置において生じる粉体や空気中のホコリやチリなどを効果的に除去することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムＳは、電解質膜６ｄの両面にアノード６ａ及びカソード６ｂを構成すると共に、アノード６ａに燃料ガスを供給し、カソード６ｂに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池６を備え、燃料電池６は、アノード６ａに燃料ガスを流通させるためのガス流路８９と、カソード６ｂに酸化剤ガスを流通させるためのガス流路８９とを備え、これらガス流路８９に洗浄用流体としての水を流通させ、当該ガス流路８９を洗浄する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと空気中に含まれる酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電極反応によって燃料ガス（水素など）が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すものである。特に、固体高分子形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：「ＰＥＦＣ」）は、固体高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ）の両面にアノードとカソードとが配されたセルと、セルを挟持する一対のリブ付きセパレータなどから構成され、このセパレータのリブ間に構成されるガス流路（燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路）を介して、アノードとカソードにそれぞれポンプにより水素ガス（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）を供給し、水素と空気中の酸素が酸化還元反応を生ずることで電力を発生させるものである（特許文献１又は特許文献２参照）。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜は、アノード側で生成されたプロトン（Ｈ^＋）がカソード側に伝導する際の通路となるため、陽イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをはじめとする陽イオン交換樹脂が一般的に用いられる。しかしながら、係る陽イオン伝導は水和水とともに成されることから、固体高分子電解質膜は湿潤された状態（水分が含まれた状態）でなければならない。そのため、固体高分子電解質膜は燃料電池を運転する際、常時湿潤させておく必要がある。そこで、一般的には水素ガスと空気を加湿した後、アノードとカソードにそれぞれ供給する方式が採られていた。
【０００４】
また、係る燃料電池を用いた燃料電池システムでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの原料ガスから水素ガス（燃料ガス）を改質生成する場合、原料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器と、この改質器からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器からの未変成の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器とを備えた改質装置が使用される。
【０００５】
上記改質器はバーナを有し、燃料ガスと内部の熱交換器で水蒸気化した水蒸気とを混合して予熱し、触媒で活性化することによって改質ガスを生成する。この水蒸気を作る水はポンプにより改質器に供給される。また、ＣＯ除去器にはＣＯ変成器を経た改質ガスと空気が混合されて供給される。そして、この混合された改質ガスは熱交換器で冷却された後、触媒によって改質ガス中の一酸化炭素が選択酸化反応により二酸化炭素に転換され、改質ガス中の一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度に低減される。この場合に改質ガスに混合する空気もポンプによってＣＯ除去器に供給される（特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１８５１７０号公報
【特許文献２】
特開２００２−４２８４９号公報
【特許文献３】
特開２００１−１８０９１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、改質装置において、触媒や吸着剤などが圧壊により粉化し、これらの粉体が改質ガス中に混入して電池内部にまで流入してしまう問題があった。また、電池内部に流入する酸化剤ガスは、空気を用いているため、空気内に混入するホコリやチリなどの不純物も酸化剤ガスと共に電池内部にまで流入してしまう問題があった。これら粉体などの不純物が電池内部に流入すると、一部の電池内部を閉塞させ、各ガス流路の圧力損失或いは、各セル間の圧力損失にばらつきが生じる問題がある。また、これにより燃料ガスや酸化剤ガスの流量分配が損なわれ、当該燃料電池の性能が低下する問題がある。
【０００８】
特に、燃料ガスや酸化剤ガスを効率的に電池内部に流入させるため、これらガスを整流する径の小さなノズルが電池のガス流入部に設けられている場合には、より一層容易に、改質装置から生じる粉体や、空気中のホコリやチリなどが当該ノズルを閉塞してしまう問題があった。
【０００９】
他方、電解質膜には、イオン交換膜が用いられているため、燃料電池内部に浸入した金属イオンなどの汚染イオンが付着し、電池性能が低下する問題があった。従来では、特許文献２に示す如く係る汚染イオンを電池外部へ排出するため、酸化剤極を酸性雰囲気に保つ方法がなされているが、係る方法では、上述した如き、電池内部を閉塞させる不純物をも除去することは不可能であった。そのため、各ガス流路の圧力損失或いは、各セル間に生じる圧力損失のばらつきを解消することができず、燃料ガス又は酸化剤ガスの円滑な流量分配が行われないことから、当該燃料電池の性能の低下を招いていた。
【００１０】
そこで、本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、電池内部に堆積された改質装置において生じる粉体や空気中のホコリやチリなどを効果的に除去す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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の燃料電池システムは、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えたものであって、燃料電池は、アノードに燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、カソードに酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路と、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路に洗浄用流体を流通させるための洗浄手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池は、アノードに燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、カソードに酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路と、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路に洗浄用流体を流通させるための洗浄手段とを備えたので、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路の洗浄が可能となり、これらガス流路内に燃料ガスと共に流入した粉体などの不純物や、酸化剤ガスと共に流入したホコリやチリなどの不純物を効果的に除去することができるようになる。
【００１３】
これにより、燃料電池内に不純物が堆積し、一部の電池内部を閉塞させ、各ガス流路の圧力損失或いは、各セル間の圧力損失にばらつきを生じることを未然に回避することができるようになる。そのため、燃料ガスや酸化剤ガスなどの流量分配を円滑に行うことができ、当該燃料電池の性能が低下を抑制することができるようになる。
【００１４】
請求項２の発明の燃料電池システムは、上記発明において燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路には、流路断面積が狭められた部分が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明によれば、上記発明において燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路には、流路断面積が狭められた部分が形成されているので、これらガス流路を流通するガスの整流を行うことができるようになると共に、これによって、当該流路断面積が狭められた部分に堆積される不純物を洗浄手段によって効果的に除去することができるようになる。
【００１６】
請求項３の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、洗浄手段は、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路のガスの流通方向とは逆方向に洗浄用流体を流通させることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明によれば、上記各発明において、洗浄手段は、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路のガスの流通方向とは逆方向に洗浄用流体を流通させるので、より一層効果的に燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路を洗浄することができるようになる。
【００１８】
請求項４の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、洗浄用流体は水であることを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明によれば、上記各発明において、洗浄用流体は水であるので、容易に燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路を洗浄することができるようになる。
【００２０】
請求項５の発明の燃料電池システムは、上記発明において、水は、燃料電池を冷却する冷却水であることを特徴とする。
【００２１】
請求項５の発明によれば、上記発明において、水は、燃料電池を冷却する冷却水であるので、格別に燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路を洗浄するための水を貯留する水タンクを設ける必要が無くなり、システムの簡素化を図ることができるようになる。
【００２２】
請求項６の発明の燃料電池システムは、請求項１、請求項２又は請求項３の発明において、洗浄用流体は酸性電解質溶液であることを特徴とする。
【００２３】
請求項６の発明によれば、請求項１、請求項２又は請求項３の発明において、洗浄用流体は酸性電解質溶液であるので、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路に堆積した不純物を溶解除去することが可能となる。特に、電解質膜をイオン交換膜により構成した場合には、当該イオン交換膜に金属イオンなどが付着するが、係る金属イオンなどの不純物をも酸性電解質溶液により除去することができる。そのため、使用により低下する当該燃料電池の出力特性を容易に回復させることができるようになる。
【００２４】
請求項７の発明の燃料電池システムは、上記発明において、酸性電解質溶液は、電解質貯留タンクに貯留され、当該電解質貯留タンクは、システムに着脱可能とされていることを特徴とする。
【００２５】
請求項７の発明によれば、上記発明において、酸性電解質溶液は、電解質貯留タンクに貯留され、当該電解質貯留タンクは、システムに着脱可能とされているので、容易に酸性電解質溶液の補充を行うことができるようになる。また、メンテナンス時に洗浄を行う際に、当該電解質貯留タンクをシステムに取り付けることにより、システムの構造を簡素化することができるようになる。
【００２６】
請求項８の発明の燃料電池システムは、請求項６又は請求項７の発明において、洗浄手段は、酸性電解質溶液を燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路に流通させた後、水を流通させることを特徴とする。
【００２７】
請求項８の発明によれば、請求項６又は請求項７の発明において、洗浄手段は、酸性電解質溶液を燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路に流通させた後、水を流通させるので、酸性電解質溶液による洗浄後、水により当該酸性電解質溶液を洗浄することができ、洗浄後、当該酸性電解質溶液に影響されることなく発電を行うことができるようになる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。本実施例における燃料電池システムＳは、ＰＥＦＣ装置Ｔ（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル）を備えた固体高分子形燃料電池システムである。この燃料電池システムＳは、上記ＰＥＦＣ装置Ｔの他に燃料電池システムＳの発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムを構築するため、貯湯タンク７と水処理装置８を含む熱回収装置を有している。この水処理装置８には水道管を通じて市水が供給される。この市水は水処理装置８で脱イオン化されて、昇圧ポンプ４４により各配管９、１０を介して水タンク１１、１２に供給され、また、水タンク２１を介して改質装置１３に供給される。
【００２９】
ここで、係る固定高分子形の燃料電池システムＳについて、図１及び図２を参照して説明する。尚、図２は、図１の部分回路図を示している。この燃料電池システムＳでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなど（原料ガス）の燃料の供給源である燃料供給源１と、原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器２と、改質装置１３と、固体高分子形の燃料電池（ＰＥＦＣ）６とを備える。改質装置１３は、原料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器３と、この改質器３からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器４と、このＣＯ変成器４からの未変成の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えている。
【００３０】
燃料電池６は、改質装置１３のＣＯ除去器５からの一酸化炭素が除去された後の水素と空気中に含まれる酸素とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、アノード（燃料極）６ａと、カソード（酸化剤極）６ｂと、冷却部６ｃと、固体高分子電解質膜６ｄを備えている。
【００３１】
ここで、この燃料電池６の構造について説明する。燃料電池６は、固体高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ）６ｄの両面にアノード６ａとカソード６ｂとが配されたセル８１と、セル８１を挟持する一対のリブ付きセパレータ８２などから構成される。
【００３２】
ここで、図３及び図４を参照してセパレータ８２の構成について説明する。図３はノズルプレート９４を取り付けた状態のセパレータ８２の平面図、図４は図３におけるＸ−Ｘ線概略断面図を示している。セパレータ８２には、図３に示す如く前記リブ間に複数の凹溝状のガス流路８９が形成され、当該ガス流路８９の入口にはガス供給用マニホールド８８が設けられている。そして、セパレータ８２には、燃料ガスの供給孔８７が形成され、該供給孔８７は、ガス供給用マニホールド８８に接続されている。他方、ガス流路８９の出口にはガス排出用マニホールド９０が設けられると共に、セパレータ８２には、このガス排出用マニホールド９０を接続する排出孔９１が設けられている。
【００３３】
また、セパレータ８２には、酸化剤ガスの供給孔９２と排出孔９３がそれぞれ設けられ、当該セパレータ８２の他面側に設けられた図示しないガス供給用マニホールド及びガス排出用マニホールドにそれぞれ接続し、且つ複数の酸化剤ガスのガス流路が形成されている。
【００３４】
他方、セパレータ８２のガス流路８９の入口とガス供給用マニホールド８８との間には、ノズルプレート９４が取り付けられている。ここで、図５及び図６を参照してノズルプレート９４の構成について説明する。図５はノズルプレート９４の平面図、図６はノズルプレート９４の正面図を示している。このノズルプレート９４は、薄板状の基部９４Ａと、この基部９４Ａの一端側に所定の間隔を持って突出片９５が櫛歯状に併設された接続部９４Ｂとを有し、基部９４Ａの他端側から前記各突出片９５を貫通するノズル孔９６がそれぞれ設けられている。
【００３５】
ここで、突出片９５は、セパレータ９４の各ガス流路８９の凹部内に挿入できるようにガス流路８９の間隔に対応させて櫛歯状に形成されているものとする。ノズル孔９６の直径は、入口側（基部９４Ａの他端側）が約０．２５ｍｍ、出口側（突出片９５の先端側）が約０．２２ｍｍに設定されており、当該ノズルプレート９４内に流入したガスを噴出できるようにやや先細り形状とされている。
【００３６】
そして、このノズルプレート９４は、セパレータ４のガス流路８９の入口とガス供給用マニホールド８８の下端との間に形成された凹部９７に嵌り込むかたちで取り付けられる。
【００３７】
これにより、各ノズル孔９６の入口側は供給用マニホールド８８内に連通し、ノズル孔９６の出口側は各ガス流路８９の入口に連通し、即ちノズルプレート９４を介してガス供給用マニホールド８８と各ガス流路８９とが接続されることとなる。
【００３８】
尚、図３においては、ガス流路８９の入口側のみにノズルプレート９４を取り付けた例を示しているが、ガス流路８９の出口側にも同様のノズルプレート９４を取り付けてもよいものとする。また、セパレータ８２の他面側の酸化剤ガス流路についても同様であるものとする。
【００３９】
そして、前記セル８１を複数本のガス流路８９が形成されたセパレータ８２で両側から挟み付けて複数積層し、両端に図示しないエンドプレートを添えて通しボルトで締め付け一体化することでスタックを構成する。尚、セル８１を構成するアノード６ａ及びカソード６ｂの各外側面には図示しない拡散層が形成されているものとする。
【００４０】
そして、スタックに水素ガス（燃料ガス）が供給されると、スタックの積層方向に連通する供給孔８７から各セパレータ８２のガス供給用マニホールド８８内に分配され、このガス供給用マニホールド８８からノズルプレート９４のノズル孔９６内に流入し、これらノズル孔９６を通過して各ガス流路８９に供給される。
【００４１】
これにより、ガス流路８９内に供給される水素ガス（燃料ガス）は、ノズルプレート９４の同一径のノズル孔９４によって流量を規制することにより、各セパレータ８２、８３及び各ガス流路８９に対する水素ガスの供給を均一とすることができる。尚、酸化剤ガスについても同様に流量が均一とされた酸化剤ガスをガス流路８９に供給することができる。
【００４２】
そして、上述の如くセパレータ８２の燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれのガス流路８９を介して、アノード６ａとカソード６ｂにそれぞれ水素ガス（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）が供給され、水素と空気中の酸素が下記化学式▲１▼及び▲２▼の酸化還元反応を生ずることで電力を発生させるものである。
【００４３】
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・・▲１▼
２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ ・・・・▲２▼
【００４４】
この場合、固体高分子電解質膜６ｄは、アノード６ａ側で生成されたプロトン（Ｈ^＋）がカソード６ｂ側に伝導する際の通路となるため、陽イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをはじめとする陽イオン交換樹脂が用いられる。
【００４５】
前記燃料供給源１からはガス管１７が延出され、このガス管１７には電磁開閉弁１８及び昇圧ポンプ１９が設けられ、ガス管１７は脱硫器２に接続される。脱硫器２はガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に接続される。そして、この改質器３は、図示しないガス管により、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５と順次接続されている。この改質装置１３には、昇圧ポンプ４０が設けられた配管４１を介して水タンク２１が接続される。
【００４６】
そして、ＣＯ除去器５は、ガス管２３を介して前記水タンク１１に接続され、この水タンク１１は、図２のみに図示する電磁開閉弁５０が設けられた配管２４を介して燃料電池６のアノード６ａ側の前記燃料ガスのガス流路８９に接続される。このアノード６ａ側の燃料ガスのガス流路８９は、図２のみに図示する電磁開閉弁５１が設けられたガス管３７を介して改質器３の図示しないバーナに接続されている。また、この燃料ガスのガス流路８９は、一端に三方弁５２が設けられた配管５３が接続されている。
【００４７】
そして、水タンク１１は、配管２５を介して燃料電池６の冷却部６ｃに接続され、冷却部６ｃは、前記三方弁５２と、昇圧ポンプ５４と熱回収用熱交換器２７とが順次介設された配管２６を介して再び水タンク１１に接続されている。
【００４８】
他方、上記水タンク１２は、配管３１を介して酸化剤ガス供給源３０と接続され、配管３２を介して燃料電池６のカソード６ｂ側の前記酸化剤ガスのガス流路８９に接続される。このカソード６ｂ側の酸化剤ガスのガス流路８９は、配管３４を介して熱回収用熱交換器３３に接続される。この熱回収用熱交換器３３には、排気ダクト３５及びドレンパイプ３６が接続される。
【００４９】
また、上記貯湯タンク７は、昇圧ポンプ４５により配管４２を介して上述した熱回収用熱交換器２７と接続されていると共に、昇圧ポンプ４６により配管４３を介して上述した熱回収用熱交換器３３と接続されている。
【００５０】
尚、上述した如き電磁開閉弁１８、５０、５１及び三方弁５２と、昇圧ポンプ１９、４０、４４、４５、４６及び５４は、図示しない制御装置に接続され、当該制御装置により制御されるものとする。
【００５１】
前記制御装置により燃料電池システムＳの定常運転において、燃料供給源１からの原料ガスは、電磁開閉弁１８を介して昇圧ポンプ１９に入り、当該昇圧ポンプ１９にて昇圧されて、脱硫器２に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２に、例えば酸化亜鉛や活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器２を経た原料ガスは、ガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に供給される。
【００５２】
この改質器３では前記バーナによって脱硫器２からの燃料ガスと昇圧ポンプ４０から供給される水を内部の熱交換器で水蒸気化した水蒸気とを混合して予熱し、触媒で活性化することによって水素（燃料ガス）、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。
【００５３】
このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給される。この場合、ＣＯ除去器５にはＣＯ変成器４を経た改質ガスと図示しない空気ポンプによって供給される空気が混合されて供給される。そして、この混合された改質ガスは内部の熱交換器で冷却された後、触媒によって改質ガス中の未変成の一酸化炭素が選択酸化反応により二酸化炭素に転換され、改質ガス中の一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度に低減され、実質的にガス中の未変成の一酸化炭素が除去される。
【００５４】
このＣＯ除去器５を経て一酸化炭素が除去された後の水素がガス管２３を経て水タンク１１に入り、そこで加湿された後、ガス管２４及び電磁開閉弁５０（開）を介して燃料ガスのガス流路８９から燃料電池６のアノード６ａに燃料ガスとして供給される。他方、酸化剤ガス供給源３０から水タンク１２に空気が供給され、そこで加湿された空気が酸化剤ガスのガス流路８９から燃料電池６のカソード６ｂに供給される。これにより、アノード６ａに供給された水素と、カソード６ｂに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生すると共に、固体高分子電解質膜６ｄを湿潤状態とする。尚、図２において太線で示される矢印は洗浄運転における水の流れを示しているものである。
【００５５】
尚、上記改質器３の前記バーナにはガス管３７及び電磁開閉弁５１（開）を介して、アノード６ａ側の燃料ガスのガス流路８９を経た未反応水素がオフガスとして供給される。このとき、化学反応により生じ、アノード６ａ及び燃料ガスのガス流路８９に一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置１３において生じたドレン水は、図示しないドレンパイプにより外部に排出される。
【００５６】
また、カソード６ｂの酸化剤ガスのガス流路８９から配管３４に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク７の水が配管４３を介して循環する熱回収用熱交換器３３で熱回収された後、排気ダクト３５を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器３３での熱交換によって、貯湯タンク７の水が温度上昇する。他方、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器３３にて貯湯タンク７の水と熱交換した際に凝縮され、ドレン水としてドレンパイプ３６より外部に排出される。
【００５７】
上述した改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５、燃料電池６では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。改質器３における化学反応は吸熱反応であるので、改質装置１３に設けられた前記バーナによって常時加熱しながら化学反応を行う。
【００５８】
また、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行われる化学反応は発熱反応であるので、システム起動時のみ図示しないバーナを燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でＣＯ除去器５の温度を反応温度まで昇温し、この反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。
【００５９】
燃料電池６では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。このとき、燃料電池６の冷却部６ｃには、昇圧ポンプ５４により、水タンク１１の水が供給され、当該冷却部６ｃを経た水は、三方弁５２（冷却部６ｃ側が開）及び配管２６を介して熱回収用熱交換器２７を通過し、再び水タンク１１に帰還する。尚、熱回収用熱交換器２７には、上記貯湯タンク７の水が配管４２を介して循環するため、貯湯タンク７の水が温度上昇し、水タンク１１の水の温度が低下する。これにより、水タンク１１の水が冷却部６ｃを循環することにより、燃料電池６が冷却される。
【００６０】
上記改質器３の排気系には、前述した熱交換器が接続され、水タンク２１の水が前述の如く昇圧ポンプ４０を介して供給されると、当該熱交換器で水蒸気化し、この水蒸気が、原料ガスと混合して改質器３に供給される。
【００６１】
そして、上述した如く燃料電池６にて水素ガス（燃料ガス）と空気中の酸素（酸化剤ガス）とを化学反応させて発電された電力は、昇圧コンバータ１５を経て、２００Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１６に送られ、ここから、単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの電源として図示しない家庭に供給される。
【００６２】
一方、燃料電池システムＳを長期間運転すると、上記改質装置１３において、運転の際に生じる振動などによって圧壊された微量の粉体が生じる。この粉体の殆どは、水タンク１１に燃料ガスを通すことにより除去されるが、一部、ミストとして燃料電池６に到達してしまい燃料ガスのガス流路８９に堆積する。特に、本実施例において用いられる燃料電池６は燃料ガスのガス流路８９の入口に流路断面積を低減したノズルプレート９４が設けられているため、係るノズルプレート９４のノズル孔９６に係る不純物が堆積する。そのため、不純物によりノズル孔９６が閉塞され、一つのセル８１内の各ガス流路８９の圧力損失或いはスタックを構成する各セル８１間の圧力損失にばらつきが発生する。その結果として燃料ガスの適切な流量分配が行われず、スタックの性能低下が発生する。
【００６３】
そこで、一定期間使用した後、若しくは、図示しない圧力計によりスタックの一部の圧力を計測し、この値に基づき、制御装置は、燃料電池システムＳの洗浄運転を実行する。係る洗浄運転では、前記制御装置は、燃料電池システムＳの発電を停止する。そのため、燃料電池６への水素ガス及び空気の供給が停止された状態で、電磁開閉弁５１を閉とし、三方弁５２はアノード６ａ側に切り換える。
【００６４】
そして、昇圧ポンプ５４が運転されると、図２の太線矢印の如く水タンク１１内の水は、洗浄用流体として熱交換器２７、昇圧ポンプ５４及び三方弁５２（アノード６ａ側が開）を順次経て配管５３を介してアノード６ａの出口側から燃料電池６の燃料ガスのガス流路８９に供給される。そして、このガス流路８９を通過した水は、電磁開閉弁５０及び配管２４を経て再び水タンク１１に帰還する。
【００６５】
これにより、水タンク１１の水が燃料電池６の燃料ガスのガス流路８９を循環することにより、当該ガス流路８９及びノズルプレート９４のノズル孔９６に堆積された粉体などの不純物が洗浄される。そのため、燃料電池６内に不純物が堆積し、一部の電池６内部を閉塞させ、各ガス流路８９の圧力損失或いは、各セル８１間の圧力損失にばらつきを生じることを未然に回避することができるようになる。また、燃料ガスの流量分配を円滑に行うことができ、当該燃料電池６の性能が低下を抑制することができるようになる。
【００６６】
特に、本実施例では、燃料ガスのガス流路８９には、流路断面積が狭められたノズルプレート９４が設けられているが、当該ガス流路８９に水を流通させることにより、係るノズルプレート９４に堆積された不純物をも洗浄することができる。
【００６７】
また、本実施例では、水タンク１１から供給される水を、燃料ガスの流通方向とは逆方向に流通させるため、より一層効果的に燃料ガスのガス流路８９を洗浄することができるようになる。
【００６８】
尚、本実施例では、水タンク１１からの水を、燃料電池６の燃料ガスのガス流路８９のみに供給しているが、これ以外に、燃料電池６の酸化剤ガスのガス流路８９には、供給される空気中にホコリやチリなどの不純物が堆積するため、洗浄運転時において、当該ガス流路８９にも水タンク１１からの水を流通させ、洗浄を行ってもよいものとする。
【００６９】
また、本実施例において、用いられる洗浄用流体は、上述した如く水であるため、容易にガス流路８９の洗浄を行うことができる。特に、本実施例において用いられる水は、燃料電池６を冷却するための冷却水であるため、格別に洗浄用流体を貯留する水タンクを設ける必要が無くなり、システムＳの簡素化を図ることができるようになる。
【００７０】
尚、冷却水が貯留される水タンク１１は、常時、伝導度が検出され、この伝導度に応じて、当該水タンク１１内の水が交換されるものとする。また、配管２４、又は、２６、若しくは、５３に図示しないフィルタを設け、これら配管中の不純物を含む水のろ過を行い、これにより、当該水中の純度を保持してもよいものとする。
【００７１】
尚、本実施例では、洗浄用流体として水が用いられているが、これ以外に、二酸化炭素などの不活性ガスなどであってもよいものとする。
【００７２】
次に、図７を参照して、本発明の他の実施例について説明する。尚、図７において図２と同様の符号が付してあるものは、同様若しくは、同一の効果を奏するものであるものとする。また、上記実施例と同様の構成については説明を省略する。
【００７３】
係る実施例において、ガス管２３を介して前記水タンク１１に接続され、この水タンク１１は、電磁開閉弁５０が設けられた配管２４を介して燃料電池６のアノード６ａ側の前記燃料ガスのガス流路８９に接続される。このアノード６ａ側の燃料ガスのガス流路８９は、電磁開閉弁５１が設けられたガス管３７を介して改質器３の図示しないバーナに接続されている。
【００７４】
そして、水タンク１１は、配管２５を介して燃料電池６の冷却部６ｃに接続され、冷却部６ｃは、昇圧ポンプ５４と熱回収用熱交換器２７とが順次介設された配管２６を介して再び水タンク１１に接続されている。
【００７５】
他方、本実施例に係る燃料電池システムＳでは、当該システムＳに着脱自在となる電解質貯留タンク６０が設けられる。この電解質貯留タンク６０には、洗浄用流体である酸性電解質溶液として希硫酸が貯留されている。そして、この電解質貯留タンク６０には、昇圧ポンプ６１及び電磁開閉弁６２が設けられた配管６３が接続されていると共に、この配管６３は、アノード６ａの燃料ガスのガス流路８９の出口側に接続されている。また、アノード６ａの燃料ガスのガス流路８９の入口側には、電磁開閉弁６４が設けられた配管６５が接続されており、この配管６５は、電解質貯留タンク６０に接続されている。
【００７６】
以上の構成により、係る実施例における燃料電池システムＳの定常運転では、前記制御装置により、電磁開閉弁５０及び５１が開とされていると共に、電磁開閉弁６２及び６４が閉とされていることから、電解質貯留タンク６０に貯留される酸性電解質溶液は、燃料電池６内に流入することなく、上記実施例と同様に発電が行われる。
【００７７】
係る実施例における燃料電池システムＳの洗浄運転では、前記制御装置は、燃料電池システムＳの発電を停止する。そのため、燃料電池６への水素ガス及び空気の供給が停止された状態で、電磁開閉弁５０及び５１を閉とし、電磁開閉弁６２及び６４を開とする。
【００７８】
そして、昇圧ポンプ６１が運転されると、図７の太線矢印の如く電解質貯留タンク６０内の酸性電解質溶液は、開閉弁６２（開）を経て配管６３を介してアノード６ａの出口側から燃料電池６の燃料ガスのガス流路８９に供給される。そして、このガス流路８９を通過した酸性電解質溶液は、電磁開閉弁６４（開）及び配管６５を経て再び電解質貯留タンク６０に帰還する。
【００７９】
これにより、電解質貯留タンク６０の酸性電解質溶液が燃料電池６の燃料ガスのガス流路８９を循環することにより、当該ガス流路８９及びノズルプレート９４のノズル孔９６に堆積された粉体などの不純物を溶解除去することが可能となる。そのため、燃料電池６内に不純物が堆積し、一部の電池６内部を閉塞させ、各ガス流路８９の圧力損失或いは、各セル８１間の圧力損失にばらつきを生じることを未然に回避することができるようになる。また、燃料ガスの流量分配を円滑に行うことができ、当該燃料電池６の性能が低下を抑制することができるようになる。
【００８０】
特に、本実施例においても、燃料ガスのガス流路８９には、流路断面積が狭められたノズルプレート９４が設けられているが、当該ガス流路８９に酸性電解質溶液を流通させることにより、係るノズルプレート９４に堆積された不純物をも溶解除去することができる。
【００８１】
また、本実施例では、電解質貯留タンク６０から供給される酸性電解質溶液を、燃料ガスの流通方向とは逆方向に流通させるため、より一層効果的に燃料ガスのガス流路８９を洗浄することができるようになる。
【００８２】
また、燃料電池６を構成する電解質膜６ｄは、上述した如きイオン交換膜により構成されているため、定常運転により金属イオンが付着しているが、酸性電解質溶液により、係る金属イオンなどの不純物をも溶解除去することができる。そのため、使用により低下する燃料電池６の出力特性を容易に回復させることができる。
【００８３】
尚、本実施例では、電解質貯留タンク６０からの酸性電解質溶液を、燃料電池６の燃料ガスのガス流路８９のみに供給しているが、これ以外に、燃料電池６の酸化剤ガスのガス流路８９には、供給される空気中にホコリやチリなどの不純物が堆積するため、洗浄運転時において、当該ガス流路８９にも電解質貯留タンク６０からの酸性電解質溶液を流通させ、洗浄を行ってもよいものとする。
【００８４】
また、係る実施例では、電解質貯留タンク６０は、システムＳに着脱自在とされているため、メンテナンス時などに取り付けることで、洗浄運転を実行することができ、通常使用する場合におけるシステムＳの構造を簡素化することができるようになる。また、電解質貯留タンク６０内の酸性電解質溶液を容易に補充することができるため、使用性が向上する。
【００８５】
尚、上記実施例において、酸性電解質溶液を燃料ガスのガス流路８９に流通させた後は、水タンク１１内の水などにより当該酸性電解質溶液を除去する措置を行うことが望ましい。これにより、洗浄運転後、酸性電解質溶液に影響されることなく発電を行うことができるようになる。
【００８６】
尚、本実施例では、燃料電池６として固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムＳについて説明しているが、これ以外に、水又はガスなどの流通経路を燃料電池６内に有しているものであれば他の種類の燃料電池を用いた燃料電池システムであっても、同様の効果が得られる。
【００８７】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池は、アノードに燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、カソードに酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路と、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路に洗浄用流体を流通させるための洗浄手段とを備えたので、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路の洗浄が可能となり、これらガス流路内に燃料ガスと共に流入した粉体などの不純物や、酸化剤ガスと共に流入したホコリやチリなどの不純物を効果的に除去することができるようになる。
【００８８】
これにより、燃料電池内に不純物が堆積し、一部の電池内部を閉塞させ、各ガス流路の圧力損失或いは、各セル間の圧力損失にばらつきを生じることを未然に回避することができるようになる。そのため、燃料ガスや酸化剤ガスなどの流量分配を円滑に行うことができ、当該燃料電池の性能が低下を抑制することができるようになる。
【００８９】
請求項２の発明によれば、上記発明において燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路には、流路断面積が狭められた部分が形成されているので、これらガス流路を流通するガスの整流を行うことができるようになると共に、これによって、当該流路断面積が狭められた部分に堆積される不純物を洗浄手段によって効果的に除去することができるようになる。
【００９０】
請求項３の発明によれば、上記各発明において、洗浄手段は、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路のガスの流通方向とは逆方向に洗浄用流体を流通させるので、より一層効果的に燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路を洗浄することができるようになる。
【００９１】
請求項４の発明によれば、上記各発明において、洗浄用流体は水であるので、容易に燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路を洗浄することができるようになる。
【００９２】
請求項５の発明によれば、上記発明において、水は、燃料電池を冷却する冷却水であるので、格別に燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路を洗浄するための水を貯留する水タンクを設ける必要が無くなり、システムの簡素化を図ることができるようになる。
【００９３】
請求項６の発明によれば、請求項１、請求項２又は請求項３の発明において、洗浄用流体は酸性電解質溶液であるので、燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路に堆積した不純物を溶解除去することが可能となる。特に、電解質膜をイオン交換膜により構成した場合には、当該イオン交換膜に金属イオンなどが付着するが、係る金属イオンなどの不純物をも酸性電解質溶液により除去することができる。そのため、使用により低下する当該燃料電池の出力特性を容易に回復させることができるようになる。
【００９４】
請求項７の発明によれば、上記発明において、酸性電解質溶液は、電解質貯留タンクに貯留され、当該電解質貯留タンクは、システムに着脱可能とされているので、容易に酸性電解質溶液の補充を行うことができるようになる。また、メンテナンス時に洗浄を行う際に、当該電解質貯留タンクをシステムに取り付けることにより、システムの構造を簡素化することができるようになる。
【００９５】
請求項８の発明によれば、請求項６又は請求項７の発明において、洗浄手段は、酸性電解質溶液を燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路に流通させた後、水を流通させるので、酸性電解質溶液による洗浄後、水により当該酸性電解質溶液を洗浄することができ、洗浄後、当該酸性電解質溶液に影響されることなく発電を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムＳの回路図である。
【図２】図１の一部拡大回路図である。
【図３】ノズルプレートを取り付けた状態のセパレータの平面図である。
【図４】図３におけるＸ−Ｘ線概略断面図である。
【図５】ノズルプレートの平面図である。
【図６】ノズルプレートの正面図である。
【図７】他の実施例の燃料電池システムの一部拡大回路図である。
【符号の説明】
Ｓ 燃料電池システム
１ 原料ガス
３ 改質器
４ ＣＯ変成器
５ ＣＯ除去器
６ 燃料電池
６ａ アノード
６ｂ カソード
６ｄ 固体高分子電解質膜
１１、１２、２１ 水タンク
１３ 改質装置
２４、２５、２６、３１、３２、３７、６３、６５ 配管
５０、５１、５３、６２、６４ 電磁開閉弁
５４、６１ 昇圧ポンプ
５２ 三方弁
６０ 電解質貯留タンク
８１ セル
８２ セパレータ
８９ ガス流路
９４ ノズルプレート
９６ ノズル孔

Claims (8)

1. 電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、前記アノードに燃料ガスを供給し、前記カソードに酸化剤ガスを供給して前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池は、前記アノードに前記燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、前記カソードに前記酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路に洗浄用流体を流通させるための洗浄手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路には、流路断面積が狭められた部分が形成されていることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
3. 前記洗浄手段は、前記燃料ガス流路及び／又は酸化剤ガス流路のガスの流通方向とは逆方向に前記洗浄用流体を流通させることを特徴とする請求項１又は請求項２の燃料電池システム。
4. 前記洗浄用流体は水であることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の燃料電池システム。
5. 前記水は、前記燃料電池を冷却する冷却水であることを特徴とする請求項４の燃料電池システム。
6. 前記洗浄用流体は酸性電解質溶液であることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の燃料電池システム。
7. 前記酸性電解質溶液は、電解質貯留タンクに貯留され、当該電解質貯留タンクは、前記システムに着脱可能とされていることを特徴とする請求項６の燃料電池システム。
8. 前記洗浄手段は、前記酸性電解質溶液を前記燃料ガス流路及び／又は前記酸化剤ガス流路に流通させた後、水を流通させることを特徴とする請求項６又は請求項７の燃料電池システム。

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