JP2006019123A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】循環経路に蓄積される不純物を可能な限り選択的に排出して無駄に排出される水素量を最小限にし、不純物濃度上昇による発電効率の低下を抑制しながら燃費の向上を実現できるようにすると共に、アノード排ガスを循環させるための特別な駆動デバイスを不要として、部品点数の削減を実現できるようにする。
【解決手段】燃料電池１のアノード１ａ出口から排出されるアノード排ガスをアノード１ａ入口側へと循環させる水素循環方式の燃料電池システムにおいて、アノード排ガスが流れる循環経路８に電気化学的水素ポンプ４を設置し、この電気化学的水素ポンプ４の入口極側に、循環経路８の外部にアノード排ガスを排出するための開閉弁９を接続する。また、電気化学的水素ポンプ４を燃料電池１の出力配線３に電気的に接続して、燃料電池１の出力電流が電気化学的水素ポンプ４に流されるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のアノード出口から排出されたアノード排ガスをアノード入口側へと循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極（アノード）に水素を含む燃料ガス、酸化剤極（カソード）に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給し、これら燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを燃料電池内において電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。

このような燃料電池システムでは、燃料電池内部のガス入口側から出口側に亘る全ての領域で均等に電気化学反応を生じさせて効率の良い発電を行わせるために、燃料電池のアノードには、要求される発電量に見合う水素量よりも多目の水素を供給するのが一般的である。このとき、燃料電池のアノードから排出されるガスには、発電に使用されなかった未使用の水素が多く含まれており、このアノード排ガスをそのまま外部に排出したのでは水素の利用効率が悪く、燃費の低下に繋がることになる。そこで、従来より、燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを、機械的な水素循環ポンプ等を用いてアノード入口側へと循環させて再利用することで、水素の利用効率を高めるようにした水素循環方式の燃料電池システムが提案されている。

ところで、水素循環方式の燃料電池システムにおいては、アノード排ガスの循環を繰り返す中で、燃料電池のカソードからアノード側へと透過してきた窒素や、燃料ガス中に含まれる不純物等が徐々に蓄積されていき、水素分圧低下によって燃料電池の発電効率が低下していくことが知られている。そこで、このような燃料電池の発電効率低下を防止するために、水素循環方式の燃料電池システムでは、アノード排ガスが流れる循環経路に開閉弁を接続し、この開閉弁を周期的に開閉させて不純物が蓄積されたアノード排ガスを循環経路の外部に排出することで、不純物濃度の上昇を抑えることが一般的に行われている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１５１５９２号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されている燃料電池システムをはじめ、従来の水素循環方式の燃料電池システムでは、開閉弁を開いて不純物を外部に排出する際に、同時に燃料となる水素も多く排出してしまっており、燃費向上の観点からも、更なる改善が望まれている。また、アノード排ガスを循環させるために機械的な水素循環ポンプを用いた場合、これを作動させるための駆動デバイスが別途必要となり、部品点数が増加するという問題もあった。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、循環経路に蓄積される不純物を可能な限り選択的に排出して無駄に排出される水素量を最小限にし、不純物濃度上昇による発電効率の低下を抑制しながら燃費の向上を実現することができると共に、アノード排ガスを循環させるための特別な駆動デバイスを不要として、部品点数の削減を実現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している。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノード出口から排出されたアノード排ガスをアノード入口側へと循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムである。このような水素循環方式の燃料電池システムにおいて、本発明では、前記目的を達成するために、アノード排ガスが流れる循環経路に電気化学的水素ポンプを設置し、この電気化学的水素ポンプの入口極側に排出手段を接続する構成とし、また、電気化学的水素ポンプを燃料電池の出力配線に電気的に接続して、燃料電池の出力電流が電気化学的水素ポンプに流されるようにしている。

本発明の燃料電池システムにおいて、循環経路に設置される電気化学的水素ポンプは、電解質膜を挟んで入口極と出口極とが対設されてなり、電解質膜に電流を流すことで入口極に供給されたアノード排ガス中の水素を選択的に出口極へと移動させるものである。そして、この電気化学的水素ポンプに燃料電池の出力電流が流れるようにしている。また、電気化学的水素ポンプの入口極側に接続される排出手段は、アノード排ガスを循環経路の外部に排出させるためのものである。

本発明の燃料電池システムでは、循環経路に設置された電気化学的水素ポンプによって、循環経路を流れるアノード排ガス中の水素が選択的に取り出されてアノード入口側へと循環されるので、燃料電池のアノード入口には、不純物濃度の低い燃料ガスが供給されることになる。また、アノード排ガス中の不純物は電気化学的水素ポンプの入口極側に蓄積されてくるので、不純物濃度が高まったときに電気化学的水素ポンプの入口極側に接続された排出手段を操作することによって、不純物を選択的に循環経路の外部に排出することができる。さらに、電気化学的水素ポンプは燃料電池の出力電流が流されることで作動するので、電気化学的水素ポンプを作動させるための特別な駆動デバイスを別途設ける必要がない。

本発明の燃料電池システムによれば、アノード排ガスが流れる循環経路に蓄積される不純物を選択的に循環経路の外部に排出できるので、不純物濃度上昇による発電効率の低下を有効に抑制しながら燃費の向上を実現することができる。また、アノード排ガス中の水素を選択的に取り出して循環させるための電気化学的水素ポンプを作動させるために、特別な駆動デバイスを別途設ける必要がないので、その分、部品点数の削減を図ることが可能となる。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示すものである。この燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池１に供給して燃料電池１内部での電気化学反応により発電電力を得るものであり、主に、発電を行う燃料電池１と、この燃料電池１に燃料ガスである水素を供給する水素供給系、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系、燃料電池１の温度調整のための冷却系とを備えている。

燃料電池１は、水素が供給される燃料極（アノード）１ａと、空気が供給される空気極（カソード）１ｂとが電解質を挟んで重ね合わされて構成される発電セルを主要な構成要素とするものであり、例えば、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造とされている。

燃料電池１の各発電セルは、水素供給系から供給される水素と空気供給系から供給される空気中の酸素とによる電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換する。すなわち、各発電セルのアノード１ａでは、水素供給系から水素が供給されることで水素イオンと電子とに解離する反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード１ｂ側にそれぞれ移動する。一方、カソード１ｂでは、空気供給系から供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

燃料電池１は、各発電セルのアノード１ａに水素供給系からの水素、カソード１ｂに空気供給系からの空気がそれぞれ供給されることで発電を行い、その出力は電気負荷２にて消費される。ここで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、この電気負荷２が接続された燃料電池１の出力配線３に、電気負荷２と直列に後述する水素供給系の電気化学的水素ポンプ４が接続され、燃料電池１の出力電流がこの電気化学的水素ポンプ４にも流れるようになっている。そして、水素供給系の電気化学的水素ポンプ４が燃料電池１の出力電流で作動する構成とされている。

水素供給系は、燃料電池１の各発電セルのアノード１ａに燃料ガスである水素を供給するためのものであり、例えば、水素供給源としての水素タンク５を備え、この水素タンク５から取り出した水素を水素調圧弁６で所望の圧力に調整し、水素供給経路７を通して燃料電池１のアノード１ａへと供給する。また、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１のアノード１ａ出口から排出されるアノード排ガスをアノード１ａ入口側へと循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムとして構成されており、燃料電池１のアノード１ａ出口側とアノード１ａ入口側の水素供給経路７とを繋ぐように、アノード排ガスが流れる循環経路８が接続されている。そして、特に、本実施形態の燃料電池システムでは、このアノード排ガスが流れる循環経路８に、従来一般的に用いられていた機械的な水素ポンプに代えて電気化学的水素ポンプ４が設置され、また、電気化学的水素ポンプ４の入口極側に開閉弁９が接続されている。

電気化学的水素ポンプ４は、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型の燃料電池１と同様の構造を有するものであり、図２に示すように、固体高分子電解質膜を挟んで入口極４ａと出口極４ｂとが対設されたポンプセルを主要な構成要素とし、例えば、複数のポンプセルが多段積層されたスタック構造とされている。そして、この電気化学的水素ポンプ４は、各ポンプセルの入口極４ａ側が燃料電池１のアノード１ａ出口側、各ポンプセルの出口極４ｂ側が燃料電池１のアノード１ａの入口側に繋がるように、循環経路８中に設置されている。

具体的には、電気化学的水素ポンプ４の各ポンプセルには、入口極４ａ側にガス導入部１０及びガス導出部１１が設けられ、出口極側４ｂにはガス導出部１２のみが設けられている。そして、燃料電池１のアノード１ａ出口から排出されたアノード排ガスが、入口極４ａ側のガス導入部１０からポンプ内部に導入され、出口極４ｂ側へと移動しなかったアノード排ガスが入口極４ａ側のガス導出部１１からポンプ外部へと導かれる。前記開閉弁９は、この入口極４ａ側のガス導出部１１に接続されている。また、入口極４ａから出口極４ｂ側へと移動したアノード排ガス（水素）は、出口極４ｂ側のガス導出部１２からポンプ外部へ導出され、燃料電池１のアノード１ａ入口へと導かれる。

電気化学的水素ポンプ４の各ポンプセルでは、固体高分子電解質膜に電流が流されることで、入口極４ａ側に供給されるアノード排ガス中の水素を選択的に固体高分子膜を透過させて出口極４ｂ側へと移動させる。すなわち、各ポンプセルの入口極４ａ側では、ガス導入部１０から導入されたアノード排ガス中の水素が水素イオンと電子とに解離する反応が起き、水素イオンは固体高分子電解質膜を通過し、電子は燃料電池１と電気負荷２とを含む外部回路を通って、それぞれ出口極４ｂ側へと移動する。そして、出口極４ｂ側で、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンと外部回路を通った電子とが結合して水素が生成され、出口極４ｂ側のガス導出部１２から燃料電池１のアノード１ａ入口へと導かれる。

以上のように、電気化学的水素ポンプ４は、アノード排ガス中の水素を選択的に取り出して燃料電池１のアノード１ａ入口側へと送る機能を有しており、この電気化学的水素ポンプ４により取り出された水素は、水素供給経路７と循環経路８とが合流する位置にて水素タンク５から新たに取り出された水素と混合されて、燃料電池１のアノード１ａに供給される。したがって、循環経路８に電気化学的水素ポンプ４を設置して、この電気化学的水素ポンプ４の作動によりアノード排ガスを循環させる構成とすることによって、従来一般的に用いられていた機械的な水素ポンプでアノード排ガスを循環させる場合に比べて、燃料電池１のアノード１ａ入口には、水素濃度の高い、すなわち不純物濃度の低い燃料ガスが供給されることになる。

また、電気化学的水素ポンプ４によりアノード排ガス中の水素を選択的に取り出して燃料電池１のアノード１ａ入口側へと送ることにより、アノード排ガス中の不純物は、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側におけるガス導出部１１近傍に蓄積されていくことになる。したがって、この不純物の濃度が高まるタイミングでこの入口極４ａ側のガス導出部１１に接続した開閉弁９を開放することによって、不純物を選択的に循環経路８の外部に排出することが可能となる。

空気供給系は、燃料電池１の各発電セルのカソード１ｂに酸化剤ガスである空気を供給するためのものであり、例えば、空気供給源としてのエアコンプレッサ１３を備え、このエアコンプレッサ１３で外気を吸入して空気供給経路１４を通して燃料電池スタック１のカソード１ｂへと供給する。また、燃料電池スタック１のカソード１ｂ出口側には空気排気経路１５が接続され、燃料電池スタック１のカソード１ｂで消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、この空気排気経路１５から排出される。また、空気排気経路１５には空気調圧弁１６が設けられており、この空気調圧弁１６によって燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給される空気の圧力が調整される。

冷却系は、燃料電池１の作動温度が最適温度となるように燃料電池１の温度調整を行うためのものであり、冷却液ポンプ１７の駆動によって、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を冷却液循環経路１８内で循環させ、燃料電池１に供給する構成となっている。冷却液循環経路１８にはラジエータ１９が設置されており、燃料電池１の熱を吸熱して高温の状態で燃料電池１から排出された冷却液は、このラジエータ１９を通過する過程で放熱し、冷却される。

以上が本実施形態の燃料電池システムの基本的な構成であるが、次に、本実施形態の燃料電池システムにおいて特徴的なアノード排ガスの循環動作について説明する。

燃料電池１で効率の良い発電を行わせるためには、燃料電池１に要求される発電量に見合う水素量に対して一定の割合で余剰の水素を供給することが要求される。ここで、必要とされる余剰水素量は、燃料電池１の各発電セルへの水素分配等にも影響されるが、通常、燃料電池１での発電で消費される水素量に対して０．２〜１．０倍の範囲である。本実施形態の燃料電池システムでは、この余剰の水素を、燃料電池１のアノード１ａ出口から排出されたアノード排ガス中の水素を循環経路８に設置した電気化学的水素ポンプ４で取り出してアノード１ａ入口側へと循環させることで賄うようにしているので、この電気化学的水素ポンプ４でアノード排ガス中から取り出される水素量を、燃料電池１での発電で消費される水素量の０．２〜１．０倍とすることが望まれる。

燃料電池１での発電で消費される水素量は、燃料電池１の出力電流と燃料電池１を構成する発電セルのセル数に比例する。また、電気化学的水素ポンプ４でアノード排ガス中から取り出される水素量は、電気化学的水素ポンプ４への供給電流と電気化学的水素ポンプ４を構成するポンプセルのセル数に比例する。ここで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、電気化学的水素ポンプ４に燃料電池１の出力電流が流されるようになっており、また、燃料電池１を構成する発電セルと電気化学的水素ポンプ４を構成するポンプセルとが同じ構造とされているので、電気化学的水素ポンプ４を構成するポンプセルのセル数を燃料電池１を構成する発電セルのセル数の０．２〜１．０倍とすることにより、燃料電池１に対して常に最適な量の余剰水素を供給して、燃料電池１での効率の良い発電を継続して行うことが可能となる。

また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、電気化学的水素ポンプ４に燃料電池１の出力電流が流されることで電気化学的水素ポンプ４が作動して、燃料電池１に対して常に最適な量の余剰水素を供給するので、電気化学的水素ポンプ４を作動させるための特別な駆動デバイスを別途設ける必要がなく、その分、部品点数の削減を図ることもできる。

また、開閉弁９を閉じた状態で燃料電池システムの運転を継続させると、燃料電池１のカソード１ｂからアノード１ａ側へと透過してきた窒素や、燃料ガス中に含まれる不純物等が水素供給系内に徐々に蓄積されていく。ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、電気化学的水素ポンプ４によりアノード排ガス中の水素を選択的に取り出して循環させるようにしているので、窒素や不純物ガスは、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に蓄積されていくことになる。

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に不純物が蓄積されて十分に濃縮される時間を予め実験的に求めておき、不純物が十分に濃縮されたタイミングで、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に接続した開閉弁９を開放すると共に、所定時間経過後に開閉弁９を閉じる動作を繰り返し行うようにしている。これにより、水素供給系中の不純物を選択的に循環経路８の外部に排出することが可能となり、無駄に排出する水素量を極力低減することができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、電気化学的水素ポンプ４によりアノード排ガス中の水素を選択的に取り出して燃料電池１のアノード１ａ側へと循環させ、また、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に蓄積された不純物が十分に濃縮されたタイミングで開閉弁９を開放し、不純物を選択的に排出させるようにしているので、不純物濃度上昇による発電効率の低下を有効に抑制しながら、燃費の向上を実現することができる。

また、アノード排ガス中の水素を選択的に取り出して循環させるための電気化学的水素ポンプ４を作動させるために、特別な駆動デバイスを別途設ける必要がないので、その分、部品点数の削減を図ることが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態と同様とし、開閉弁９の開閉制御が第１の実施形態とは異なるものである。以下、第１の実施形態と同様の部分についての重複した説明は省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。

電気化学的水素ポンプ４への印加電圧は、入口極４ａから出口極４ｂ側へと移動させる水素量が多いほど高くなり、また、入口極４ａに対し出口極４ｂの昇圧比が大きいほど高くなり、また、アノード排ガスの水素分圧が小さいほど高くなる。したがって、電気化学的水素ポンプ４への印加電圧は、燃料電池１の出力電流が大きくなるほど高くなる傾向にある。これは、水素移動量と昇圧比の増加に伴うものである。これと同時に、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に蓄積された不純物の濃度が上がると、燃料電池１の出力電流が等しい場合でも、電気化学的水素ポンプ４への印加電圧は高くなる傾向にある。これは、アノード排ガスの水素分圧が低下したことによるものである。

本実施形態の燃料電池システムでは、以上の特性を利用して、燃料電池１の出力電流に対する電気化学的水素ポンプ４への印加電圧の値をもとに、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に蓄積された不純物の濃度を推定して、それに応じて開閉弁９の開閉を制御するようにしている。これを実現するために、本実施形態の燃料電池システムでは、図３に示すように、電気化学的水素ポンプ４へ電流を流すための外部回路に電圧センサ２０を接続し、この電圧センサ２０により電気化学的水素ポンプ４への印加電圧をモニタリングできるようにしている。

そして、開閉弁９を閉じた状態で燃料電池システムの運転を継続させていく中で、電圧センサ２０により検知された電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が、燃料電池１の出力電流に応じて定まる第１の所定値（図４参照。）を越えたら、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に蓄積された不純物が十分に濃縮された状態にあると判断して、開閉弁９を閉から開に切り替える。そして、その後、電圧センサ２０により検知された電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が第１の所定値よりも小さい第２の所定値（図４参照。）を下回ったら、水素供給系内の不純物濃度が十分に低下したと判断して、開閉弁９を開から閉に切り替えるようにしている。

図５は、本実施形態の燃料電池システムにおける開閉弁９の開閉制御の制御フローを示すものである。この図５に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、ステップＳ１で開閉弁９が開いているか閉じているかを判定し、開閉弁９が閉じている場合には、次のステップＳ２において、電圧センサ２０により検知された電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が図４に示した第１の所定値を越えているか否かを判定する。そして、電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が第１の所定値を越えていれば、次のステップＳ３で開閉弁９を開いてリターンし、電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が第１の所定値以下であれば、そのままリターンする。

また、ステップＳ１で開閉弁９が開いていると判定した場合には、次にステップＳ４において、電圧センサ２０により検知された電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が図４に示した第２の所定値を下回っているか否かを判定する。そして、電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が第２の所定値を下回っていれば、次のステップＳ５で開閉弁９を閉じてリターンし、電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が第２の所定値以上であれば、そのままリターンする。

本実施形態の燃料電池システムでは、以上の制御フローを繰り返し実行することによって、水素供給系中の不純物を選択的に循環経路８の外部に排出することが可能となり、無駄に排出する水素量を極力低減することができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、電気化学的水素ポンプ４によりアノード排ガス中の水素を選択的に取り出して燃料電池１のアノード１ａ側へと循環させ、また、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に蓄積された不純物が十分に濃縮されたタイミングで開閉弁９を開放し、不純物を選択的に排出させるようにしているので、不純物濃度上昇による発電効率の低下を有効に抑制しながら、燃費の向上を実現することができる。

また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の出力電流に対する電気化学的水素ポンプ４の印加電圧をもとに電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に蓄積された不純物の濃度を推定して、それに応じて開閉弁９の開閉を制御するようにしているので、開閉弁９の開閉をより適切に行って、上述した効果を更に高めることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、図７に概略構成を示すように、上述した第２の実施形態における開閉弁９に代えて可変絞り弁２１を電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に接続するようにし、この可変絞り弁２１の開度を、電気化学的水素ポンプ４への印加電圧に応じて調節するようにしたものである。以下、第１の実施形態や第２の実施形態と同様の部分についての重複した説明は省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。

本実施形態の燃料電池システムでは、第２の実施形態と同様に、電気化学的水素ポンプ４へ電流を流すための外部回路に電圧センサ２０を接続し、この電圧センサ２０により電気化学的水素ポンプ４への印加電圧をモニタリングできるようにしている。そして、電圧センサ２０により検知される電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が、燃料電池１の出力電流に応じて定まる所定値（図７参照。）に維持されるように、可変絞り弁２１の開度を調整する。すなわち、電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が図７に示した所定値を越えたら可変絞り弁２１の開度を大きくし、逆に電気化学的水素ポンプ４への印加電圧が図７に示した所定値を下回ったら可変絞り弁２１の開度を小さくする。

本実施形態の燃料電池システムでは、以上のように、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に接続した可変絞り弁２１の開度を電気化学的水素ポンプ４への印加電圧に応じて調節することによって、水素供給系中の不純物を選択的に循環経路８の外部に排出することが可能となり、無駄に排出する水素量を極力低減することができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、第１の実施形態や第２の実施形態の燃料電池システムと同様に、電気化学的水素ポンプ４によりアノード排ガス中の水素を選択的に取り出して燃料電池１のアノード１ａ側へと循環させ、また、電気化学的水素ポンプ４の入口極４ａ側に蓄積された不純物が十分に濃縮されたタイミングで開閉弁９を開放し、不純物を選択的に排出させるようにしているので、不純物濃度上昇による発電効率の低下を有効に抑制しながら、燃費の向上を実現することができる。

また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の出力電流に対する電気化学的水素ポンプ４への印加電圧の値をもとに入口極４ａ側に蓄積された不純物の濃度を推定して、それに応じて可変絞り弁２１の開度の調節するようにしているので、不純物の排出をより適切に行って、上述した効果を更に高めることができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、図８に概略構成を示すように、基本構成を上述した第１の実施形態と同様とし、循環経路８と水素供給経路７との合流位置にイジェクタ２２を設置した点が第１の実施形態とは異なるものである。以下、第１の実施形態と同様の部分についての重複した説明は省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。

第２の実施形態で説明したように、燃料電池１の出力電流に対する電気化学的水素ポンプ４への印加電圧の値は、電気化学的水素ポンプ４での昇圧比が大きいほど高くなる傾向にある。したがって、このような電気化学的水素ポンプ４での昇圧代を小さくできれば、電気化学的水素ポンプ４への印加電圧を小さくしながら、必要な循環水素量を確保できることになる。

本実施形態の燃料電池システムでは、循環経路８と水素供給経路７との合流位置にイジェクタ２２を設置するようにしているので、水素タンク５から燃料電池１へと向かう水素供給経路７内の水素の流れにより、循環経路８内の水素を吸引する方向の力が作用することになり、電気化学的水素ポンプ４での昇圧代が非常に小さくなる。したがって、必要な循環水素量を確保するための電気化学的水素ポンプ４への印加電圧を小さくすることができ、消費電力を低減することができる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、循環経路８と水素供給経路７との合流位置にイジェクタ２２を設置することによって、第１乃至第３の実施形態の効果、すなわち不純物濃度上昇による発電効率の低下を有効に抑制しながら燃費の向上を実現できるという効果に加えて、水素循環のための消費電力を低減できるという効果も得ることができ、システム効率を更に改善することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、アノード排ガスが流れる循環経路８を２系統として各経路に電気化学的水素ポンプを各々設置し、通常時は一方の電気化学的水素ポンプのみを作動させて必要な循環水素量を確保し、燃料電池１の少なくとも一部の発電セルにて水詰まりが発生したときには、２つの電気化学的水素ポンプを作動させて循環水素の流量を増加させることで、水詰まりを解消させるようにしたものである。以下、本実施形態に特徴的な部分を中心に説明する。

図９は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示すものである。本実施形態の燃料電池システムでは、アノード排ガスが流れる循環経路８がその途中で分岐され、互いに並列に配置された第１の循環経路８ａと第２の循環経路８ｂとを有する構成とされている。そして、第１の循環経路８ａに第１の電気化学的水素ポンプ２３が設置され、第２の循環経路８ｂに第２の電気化学的水素ポンプ２４が設置されている。

これら第１の電気化学的水素ポンプ２３及び第２の電気化学的水素ポンプ２４は、上述した各実施形態で説明した電気化学的水素ポンプ４と同様の構成であるが、水詰まり発生時にのみ作動される第２の電気化学的水素ポンプ２４には、必ずしもその入口極側に開閉弁９を接続しておく必要はなく、第１の電気化学的水素ポンプ２４の入口極側には開閉弁９を接続しておく。

また、第１の電気化学的水素ポンプ２３と第２の電気化学的水素ポンプ２４とは、燃料電池１の出力配線３に電気的に直列に接続され、燃料電池１の出力電流を電気化学的水素ポンプ２３や第２の電気化学的水素ポンプ２４にも流すことができるようになっている。さらに、燃料電池１の出力配線３には、燃料電池１の出力電流を第１の電気化学的水素ポンプ２３のみに流す電気回路と、燃料電池１の出力電流を第１の電気化学的水素ポンプ２３と第２の電気化学的水素ポンプ２４との双方に流す電気回路とを切り替えるための切り替えスイッチ２５が接続されている。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、図示を省略するが、燃料電池１の少なくとも一部の発電セルに水詰まりが発生したことを検知する水詰まり検知手段が設けられている。そして、水詰まりの発生が検知されない間は、燃料電池１の出力電流が第１の電気化学的水素ポンプ２３のみを流れる電気回路を選択して、第１の電気化学的水素ポンプ２３のみを作動させて必要な循環水素量を確保するようにする。一方、水詰まりの発生が検知された場合には、前記切り替えスイッチ２５を操作して燃料電池１の出力電流が第１の電気化学的水素ポンプ２３と第２の電気化学的水素ポンプ２４との双方を流れる電気回路を選択し、第１の電気化学的水素ポンプ２３と第２の電気化学的水素ポンプ２４との双方を作動させて循環水素の流量を増加させ、水詰まりを解消させるようにしている。

燃料電池１の電解質膜として用いられる固体高分子膜は、上述したように飽和含水することによってイオン伝導体として機能することになるので、燃料電池システムの運転時には燃料電池１に対して必要な量の水分を供給して固体高分子電解質膜を十分に加湿した状態としている。ここで、燃料電池１の加湿量が過剰となった場合や、低温時等の運転条件によっては、燃料電池１内部で水分が凝縮し、液水となって、例えばアノード１ａ側のガス流路に滞留する、いわゆる水詰まり（フラッディング）と呼ばれる現象が生じる場合がある。このような水詰まりが発生すると、ガスの流通が阻害されて発電効率の低下に繋がることになるので、水詰まりが発生した場合には早急にこれを検知して、水詰まりを解消させる対策を講じることが望まれる。

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の少なくとも一部の発電セルに水詰まりが発生したことを検知する水詰まり検知手段を設け、水詰まりの発生が検知された場合には、第１の電気化学的水素ポンプ２３に加えて第２の電気化学的水素ポンプ２４も作動させて循環水素の流量を増加させ、燃料電池１のアノード１ａ側のガス流路に滞留している液水を吹き飛ばして、水詰まりを解消させるようにしている。

水詰まり検知手段が水詰まりの発生を検知する方法としては、例えば下記のような方法が考えられる。すなわち、燃料電池１の一部の発電セルに水詰まりが発生すると、水詰まりが発生した発電セルの電圧が他の発電セルの電圧に比べて低下する。この特性を利用して、燃料電池１の各発電セル、又は燃料電池１を複数に分割した各発電セル群の電圧を個別に検知するセル電圧モニタを設置し、このセル電圧モニタにより検知される特定の発電セル又は特定の発電セル群の電圧が、他の発電セル又は発電セル群の電圧よりも所定値以上若しくは所定割合以上低下した場合に、この特定の発電セル又は特定の発電セル群に水詰まりが発生したと判断する。

なお、水詰まり発生時に循環水素の流量を増加させることによって燃料電池１のアノード１ａから排出された水分は、窒素等の不純物と同様に、第１の電気化学的水素ポンプ２３の入口極側に蓄積されていくことになる。したがって、所定のタイミングで第１の電気化学的水素ポンプ２３の入口極側に接続された開閉弁９を開閉することによって、この水分を窒素等の不純物と共に循環経路８の外部に排出することができる。

図１０は、本実施形態の燃料電池システムにおける水詰まり発生時の制御フローを示すものである。この図１０に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、先ずステップＳ１１で、燃料電池１の少なくとも一部の発電セルに水詰まりが発生したことが水詰まり検知手段により検知されたか否かを判定し、水詰まりの発生が検知されたときには、次のステップＳ１２において、切り替えスイッチ２５を操作して燃料電池１の出力電流が第１の電気化学的水素ポンプ２３と第２の電気化学的水素ポンプ２４との双方を流れる電気回路を選択し、第１の電気化学的水素ポンプ２３と第２の電気化学的水素ポンプ２４との双方を作動させて、循環水素の流量を増加させる。そして、この循環水素流量の増加によって水詰まりが解消したかどうかをステップＳ１３で判定し、水詰まりが解消するまで第２の電気化学的水素ポンプ２４への通電を継続させる。そして、水詰まりが解消したら、次のステップＳ１４において、切り替えスイッチ２５を操作して燃料電池１の出力電流が第１の電気化学的水素ポンプ２３のみを流れる電気回路を選択し、第２の電気化学的水素ポンプ２４への通電を停止して第１の電気化学的水素ポンプ２３のみの作動に復帰させ、リターンする。

本実施形態の燃料電池システムでは、以上の制御フローを繰り返し実行することによって、水詰まりに起因する燃料電池１の発電効率の低下を有効に抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、循環経路８を第１の循環経路８ａと第２の循環経路８ｂとに分岐させ、第１の循環経路８ａに第１の電気化学的水素ポンプ２３、第２の循環経路８ｂに第２の電気化学的水素ポンプ２４を各々設置して、燃料電池１の少なくとも一部の発電セルにて水詰まりが発生したときには、これら第１の電気化学的水素ポンプ２３と第２の電気化学的水素ポンプ２４との双方に燃料電池１の出力電流を流して循環水素の流量を増加させ、水詰まりを解消させるようにしているので、第１乃至第４の実施形態の効果、すなわち不純物濃度上昇による発電効率の低下を有効に抑制しながら燃費の向上を実現できるという効果に加えて、水詰まりに起因する燃料電池１の発電効率の低下を有効に抑制できるという効果も得ることができ、システム効率を更に改善することができる。

本発明を適用した第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。 電気化学的水素ポンプの各ポンプセルの構造を示す模式図である。 本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、電気化学的水素ポンプに電流を流すための外部回路に電圧センサを接続した様子を示す模式図である。 前記第２の実施形態の燃料電池システムにおいて、開閉弁を閉から開に切り替える基準となる第１の所定値と第２の所定値を説明する図である。 前記第２の実施形態の燃料電池システムにおける開閉弁の開閉制御の流れを示すフローチャートである。 本発明を適用した第３の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。 前記第３の燃料電池システムにおいて、可変絞り弁の開度を調節する基準となる所定値を説明する図である。 本発明を適用した第４の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本発明を適用した第５の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。 前記第５の実施形態の燃料電池システムにおける水詰まり発生時の制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
１ａ アノード
１ｂ カソード
２ 電気負荷
３ 出力配線
４ 電気化学的水素ポンプ
４ａ 入口極
４ｂ 出口極
８ 循環経路
９ 開閉弁
２０ 電圧センサ
２１ 可変絞り弁
２２ イジェクタ
２３ 第１の電気化学的水素ポンプ
２４ 第２の電気化学的水素ポンプ
２５ 切り替えスイッチ

Claims (11)

1. 燃料電池のアノード出口から排出されたアノード排ガスをアノード入口側へと循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムにおいて、
   前記アノード排ガスが流れる循環経路に、電解質膜を挟んで入口極と出口極とが対設されてなり、前記電解質膜に電流を流すことで入口極に供給されたアノード排ガス中の水素を選択的に出口極へと移動させる電気化学的水素ポンプが設置されていると共に、
   前記電気化学的水素ポンプの入口極側に、アノード排ガスを前記循環経路の外部に排出するための排出手段が接続され、
   前記電気化学的水素ポンプが前記燃料電池の出力配線に電気的に接続されて、前記燃料電池の出力電流が前記電気化学的水素ポンプに流されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池が複数の発電セルを積層したスタック構造とされていると共に、前記電気化学的水素ポンプが、前記発電セルと同じ構造のポンプセルを複数積層したスタック構造とされ、
   前記電気化学的水素ポンプのポンプセル数が、前記燃料電池の発電セル数の０．２〜１．０倍とされていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記排出手段が開閉弁よりなることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 予め定められた周期で前記開閉弁を開閉させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記電気化学的水素ポンプに印加する電圧を検知する電圧検知手段を備え、
   前記電気化学的水素ポンプへの印加電圧が、運転条件に応じて定まる第１の所定値を越えたら前記開閉弁を閉から開に切り替えると共に、前記電気化学的水素ポンプへの印加電圧が、前記第１の所定値よりも小さい第２の所定値を下回ったら前記開閉弁を開から閉に切り替えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記排出手段が可変絞り弁よりなることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
7. 前記電気化学的水素ポンプに印加する電圧を検知する電圧検知手段を備え、
   前記電気化学的水素ポンプへの印加電圧が、運転条件に応じて定まる所定値となるように、前記可変絞り弁の開度を調節することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 燃料ガス供給源から前記燃料電池のアノード入口に繋がる燃料ガス供給経路と前記循環経路との合流位置にイジェクタが設置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記循環経路が並列配置された第１の循環経路と第２の循環経路とを有し、第１の循環経路に第１の電気化学的水素ポンプ、第２の循環経路に第２の電気化学的水素ポンプがそれぞれ設置されていると共に、
   前記第１の電気化学的水素ポンプと前記第２の電気化学的水素ポンプとが前記燃料電池の出力配線に電気的に直列に接続され、
   前記燃料電池の出力電流を前記第１の電気化学的水素ポンプのみに流す電気回路と、前記燃料電池の出力電流を前記第１の電気化学的水素ポンプと前記第２の電気化学的水素ポンプとの双方に流す電気回路とを切り替える切り替えスイッチが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池の少なくとも一部の発電セルにて水詰まりが発生したことを検知する水詰まり検知手段を備え、
    前記水詰まりの発生が検知されない間は、前記燃料電池の出力電流を前記第１の電気化学的水素ポンプのみに流し、前記水詰まりの発生が検知された場合に、前記切り替えスイッチを操作して、前記燃料電池の出力電流を前記第１の電気化学的水素ポンプと前記第２の電気化学的水素ポンプとの双方に流すことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池の各発電セル、又は前記燃料電池を複数に分割した各発電セル群の電圧を個別に検知するセル電圧検知手段を備え、
    前記水詰まり検知手段は、一部の発電セル又は一部の発電セル群の電圧が、他の発電セル又は他の発電セル群の電圧よりも所定値以上若しくは所定割合以上低下した場合に、当該発電セル又は発電セル群にて水詰まりが発生していると判断することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。

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