JP2006216312A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素ガス循環系の不純ガスを適切に排出することができると共に、この排出に含まれる水素ガスの量を最小限に抑制することができる燃料電池システムを課題とする。
【解決手段】 精製後の水素ガスを燃料電池２に供給する燃料電池システム１であって、燃料電池２から排出された水素ガスを含む排ガスを、精製後の水素ガスに合流させて燃料電池２に再び供給する水素ガス循環系２４と、水素ガス循環系２４に設けられ、排ガス中の水素ガス以外の所定の不純ガスと水素ガスとを分離するガス分離装置３３と、ガス分離装置３３に接続され、ガス分離装置３３で分離された不純ガスを排出するガス排出系３８と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池から排出された水素ガスを燃料電池に再び供給する水素ガス循環系を備えた燃料電池システムに関するものである。

この種の燃料電池システムは、燃料電池から排出された未反応の水素ガス（余剰水素）を、水素ガス循環系により燃料電池の入口側に循環供給することで、余剰水素の有効利用を図っている。ところが、例えば固体高分子型の燃料電池では、酸化剤としての空気が高分子膜を通してアノード側に拡散する。このため、空気中の窒素などの不純ガスが水素ガス循環系の水素ガスに混入し、燃料電池の発電効率を悪化させる問題がある。

このような事情に鑑み、水素ガス循環系の循環通路にパージ通路を分岐接続し、パージ通路に介設したパージ弁を定期的に開放することで、循環通路内の不純ガスを水素ガスとともにパージ通路の下流側（大気）に排出させるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１では、循環通路上に設けた温度センサや圧力センサなどの各種センサの検出結果に基づいて、パージ弁を開閉する時間を制御することで、パージ通路からの水素ガスの排出量を極力抑制している。
特開２００４−１７９０００号公報（第１図）

しかし、このような燃料電池システムは、循環通路内の不純ガスを排出するのに、水素ガスを積極的に排出する構成である。このため、システムの効率を上げるためにも、外部への水素ガスの排出量をさらに低減する改良が望まれる。

本発明は、水素ガス循環系の不純ガスを適切に排出することができると共に、この排出に含まれる水素ガスの量を最小限に抑制することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。

本発明の燃料電池システムは、精製後の水素ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムであって、燃料電池から排出された水素ガスを含む排ガスを、精製後の水素ガスに合流させて燃料電池に再び供給する水素ガス循環系と、水素ガス循環系に設けられ、排ガス中の水素ガス以外の所定の不純ガスと、水素ガスとを分離するガス分離装置と、ガス分離装置に接続され、ガス分離装置で分離された不純ガスを排出するガス排出系と、を備えたものである。

この構成によれば、水素ガス循環系に設けたガス分離装置によって、水素ガスと不純ガスとが分離される。これにより、分離後の水素ガスは、水素ガス循環系により燃料電池に再供給されるため、純度の高い水素ガスを燃料電池に供給することができる。また、分離させてから、不純ガスの排出がガス排出系により行われるため、従来のように不純ガスと水素ガスとを分離することなく排出する構成に比べて、不純ガスと共に排出され得る水素ガスの量を極めて抑制することができる。
ここで、「精製後の水素ガス」とは、燃料電池に対して不純物を含まない水素ガスをいい、その純度が１００％に近い（好ましくは１００％の）水素ガスをいう。「精製後の水素ガス」には、天然ガス等の原燃料から改質処理された水素ガスは含まれるが、改質処理後に精製処理をなされていない水素ガスは含まれない。
また、「不純ガス」とは、水素ガス以外の排ガス中に含まれるガスをいい、例えば窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、アルゴン等をいう。「所定の不純ガス」とは、例示列挙された複数のガスの全てあるいは一部をいう。また、ガス分離装置は、膜分離法や圧力スイング吸着法を適用した装置で構成すればよい。

この場合、水素ガス循環系は、排ガスが精製後の水素ガスに合流する前の循環通路と、循環通路に連なり、排ガスが精製後の水素ガスに合流した後の供給通路とを有しており、ガス分離装置は、循環通路に設けられていることが、好ましい。

この構成によれば、精製後の水素ガスと排ガスとの合流前に、排ガス中の水素ガスとそれ以外の所定の不純ガスとを分離することができる。これにより、精製後の水素ガスと排ガスとの合流後に分離する構成よりも、上記の分離を適切に行うことができ、水素ガスの純度をより一層高め得る。

これらの場合、ガス分離装置は、水素ガス循環系の通路に臨み、水素ガスの通過を許容し且つ所定の不純ガスの通過を遮断する分離膜を有し、分離膜をその膜厚方向に通過した水素ガスは再び燃料電池に供給され、且つ分離膜の膜厚方向への通過を遮断された所定の不純ガスはガス排出系に排出されることが、好ましい。

この構成によれば、分離膜という簡易な構成により、水素ガスと所定の不純ガスとを分離することができる。

この場合、ガス分離装置は、水素ガス循環系の通路に連通するガス導入空間を有し、ガス導入空間は、分離膜によって二つの空間に仕切られた構成からなり、その一方の空間には、通路の上流側およびガス排出系が接続され、且つその他方の空間には、通路の下流側が接続されていることが、好ましい。

この構成によれば、通路を流れる排ガスがガス導入空間の一方の空間に導入されると、一方の空間内の水素ガスは、分離膜を通過して他方の空間内に流れ、最終的に水素ガス循環系の通路の下流側に流れて燃料電池に供給される。また、分離膜を通過しない所定の不純ガスは、他方の空間に流れることなく、一方の空間からそのままガス排出系へと導かれる。
なお、分離膜の面積（ガス導入空間に面する仕切り面の面積）を、水素ガス循環系の通路の流路面積よりも大きくすることで、分離膜での圧損が小さくなるようにすることが好ましい。

この場合、分離膜は、ガス導入空間を上下に仕切っており、その上側の空間が前記一方の空間からなり、且つその下側の空間が前記他方の空間からなることが、好ましい。

この構成によれば、分子量の小さい水素ガスを上側の空間（通路の下流側）に積極的に導きつつ、水素ガスよりも分子量の大きい所定の不純ガスを下側の空間（ガス排出系）に積極的に導くことができる。これにより、水素ガスと所定の不純ガスとの比重差を利用して、ガス導入空間に導入後の排ガスの分離を好適に行うことができる。

あるいは、分離膜は、管状からなり、その上流側が前記通路の上流側に接続され、且つその下流側が前記ガス排出系に接続され、ガス分離装置は、分離膜の外周を覆うガス誘導空間を有し、ガス誘導空間は、通路の下流側に接続され、分離膜の内部から外部に通過した水素ガスを通路の下流側に流動させることが、好ましい。

この構成によれば、管状の分離膜の内部がガスの通路となっており、水素ガス循環系の排ガスは、分離膜が構成するガスの通路に流入する。排ガスが分離膜の通路を流動する際、排ガス中の水素ガスは、分離膜を膜厚方向（径方向）に通過してガス誘導空間に流出し、最終的に水素ガス循環系の通路の下流側に流れて燃料電池に供給される。一方、排ガス中の所定の不純ガスは、分離膜を膜厚方向に通過せず、分離膜が構成する通路をそのまま流れてガス排出系へと導かれる。このような構成であっても、上記同様に水素ガスと所定の不純ガスとを簡易に且つ適切に分離することができる。

これらの場合、分離膜は、所定の不純ガスのうち少なくとも窒素の通過を遮断することが、好ましい。

この構成によれば、燃料電池に供給する酸化剤ガスとして空気を用いている場合に、特に有用となる。

これらの場合、分離膜での圧損は、通路のうち最も圧損が大きい箇所よりも小さく設定されていることが、好ましい。

この構成によれば、水素ガス循環系で水素ガスを循環させる機器、例えばエゼクタやポンプの小型化や低消費電力に寄与することができる。

また上記の本発明の場合、循環通路は、燃料電池の排ガス出口から供給通路に亘る本流通路と、本流通路の一部をバイパスするバイパス通路と、を有しており、ガス分離装置は、バイパス通路に設けられ、排ガスが導入されるタンクと、タンク内の排ガスの流れを静止させて、水素ガスと所定の不純ガスとを比重差によりタンク内で分離する静止装置と、を有し、静止装置により分離された水素ガスは、再び燃料電池に供給され、且つ静止装置により分離された所定の不純ガスは、ガス排出系に排出されることが、好ましい。

この構成によれば、バイパス通路にガス分離装置を設けているため、水素ガス循環系における水素ガスの流れを妨げることなく、ガス分離装置で水素ガスと所定の不純ガスとを分離することができる。また、静止装置でタンク内の排ガスの流れを静止させることで、攪拌された状態の水素ガスと所定の不純ガスとを、その比重差により分離することができる。したがって、分離後の水素ガスは燃料電池に再供給されるため、純度の高い水素ガスを燃料電池に供給することができる。また、不純ガスと共に排出され得る水素ガスの量を極めて抑制することができる。
なお、静止装置は、例えば、タンクを挟んでバイパス通路の上流側および下流側に設けた二つのバルブと、二つのバルブを開閉制御する制御装置と、で構成すればよい。

これらの場合、ガス排出系は、ガス分離装置に接続されて所定の不純ガスを外部に排出する排出通路と、排出通路に設けられて排出通路を開閉する開閉弁と、を有することが、好ましい。

この構成によれば、開閉弁を適宜開放することで、ガス分離装置で分離された所定の不純ガスを排出通路から外部に適宜排出することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、水素ガス循環系の不純ガスを適切に排出しつつ、この排出と同時に排出され得る水素ガスの量を最小限に抑制することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、水素ガス循環系に含まれる窒素等の不純ガスをシステム外に排出する際に、水素ガスを極力排出しないようにしたものである。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、例えば燃料電池自動車に搭載される燃料電池システム１は、多数の単セルを積層したスタック構造からなる燃料電池２を備えている。燃料電池２としては、リン酸型など複数の種類があるが、ここでは車載に好適な固体高分子電解質型で構成されている。図示省略したが、燃料電池２の単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）をメタルなどの一対のセパレータで挟持して構成されている。

燃料電池２は、酸化剤ガスとしての空気と、燃料ガスとしての水素ガスとの供給を受けて電力を発生する。通常、燃料電池２には、安定した発電のために、電気化学反応で消費するよりも多い空気および水素ガスが供給される。空気は、図外のコンプレッサにより、供給通路１１を介して燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出される酸化剤ガス（未反応の酸化剤ガス）は、排出通路１２を介して外部に排出される。

水素ガスは、高圧タンクなどのガス供給源に貯留されており、供給通路２１に設けたレギュレータ２２により減圧された後、供給通路２１を流れて燃料電池２に供給される。ガス供給源の水素ガスは、ほぼ１００％に精製された純水素であり、好ましくは１００％に精製された純水素である。すなわち、本実施形態の燃料電池２には、燃料電池２に対して不純物を含まない純水素である精製後の水素ガスが供給される。また、燃料電池２には、燃料電池２から排出された水素ガスが水素ガス循環系２４により循環供給される。

水素ガス循環系２４は、燃料電池２から排出された未反応の水素ガスを含む排ガスのうち、未反応の水素ガスを精製後の水素ガスに合流させて、燃料電池２に再び供給するものである。水素ガス循環系２４の通路は、排ガスが精製後の水素ガスに合流する前の循環通路２６と、排ガスが精製後の水素ガスに合流した後の上記の供給通路２１と、で構成されている。

循環通路２６は、その上流端が燃料電池２の水素排出口２ａに接続され、且つその下流端が合流点Ａで供給通路２１に接続されている。供給通路２１は、その上流端がガス供給源に接続され、且つその下流端が燃料電池２の水素供給口２ｂに接続されている。水素ガス循環系２４を構成する供給通路２１の部分は、水素供給口２ｂに接続された下流端から合流点Ａに亘る部分である。この部分には、シャットバルブ２８が介設されている。

循環通路２６は、上流側から順に、循環通路２６を開閉するためのシャットバルブ３１と、排ガスから水を分離する気液分離器３２と、排ガス中の水素ガスとそれ以外の所定の不純ガスとを分離するガス分離装置３３と、循環通路２６の排ガスを供給通路２１に圧送するポンプ３４と、排ガスの逆流を阻止する逆止弁３５と、を有している。気液分離器３２で分離された水（主として生成水）は、図外のドレイン弁を介して気液分離器３２の外部に排出される一方、気液分離器３２で分離された排ガスは、ポンプ３４によりガス分離装置３３に圧送される。

ガス分離装置３３は、排ガスから水素ガスを選別し、水素ガスを精製する精製装置として機能する。一般に、燃料電池２から水素ガス循環系２４に排出される排ガスには、未反応の水素ガスや生成水のほか、酸化剤としての空気中の窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、アルゴンなどの不純ガスが含まれている。本実施形態のガス分離装置３３は、水素ガスと不純ガスとを膜分離法により分離し、純度の高い水素ガスを燃料電池２に循環供給可能にすると共に、不純ガスをガス排出系３８からシステム１外に排出するようにしている。

図２に示すように、ガス分離装置３３は、排ガスが導入されるガス導入空間４１を内部に有するタンク４２と、タンク４２内に設けられて水素ガスの通過を許容し且つ不純ガスの通過を遮断する分離膜４３と、を有している。ガス導入空間４１は、分離膜４３によって鉛直方向に二つの空間５１，５２に仕切られている。ガス導入空間４１の下側空間５１には、循環通路２６の上流側２６ａ（気液分離器３２側の循環通路２６）と、ガス排出系３８の後述する排出通路７１と、が接続されている。ガス導入空間４１の上側空間５２には、循環通路２６の下流側２６ｂ（合流点Ａ側の循環通路２６）が接続されている。

より詳細には、タンク４２の底部６１近傍の側壁部６２に循環通路２６の上流側配管２６ａが接続され、タンク４２の底部６１に排出通路７１の上流側配管が接続され、さらに、タンク４２の天壁部６３に循環通路２６の下流側配管２６ｂが接続されている。このような構成とすることで、タンク４２内に導入されて下側空間５１に滞流した排ガスのうち、分子量の小さい水素ガスを上側空間５２に積極的に導きつつ、水素ガスよりも分子量の大きい不純ガスを下側空間５１に積極的に滞流させておくことが可能となる。これにより、水素ガスと不純ガスとの分離をその比重差を利用して好適に行うことができると共に、不純ガスを積極的に（水素ガスを極力排出しないで）排出することが可能となる。

この種のタンク４２まわりの構造を例えば燃料電池自動車に適用した場合には、水素ガス循環系２４においてタンク４２が最下部となるように、上記の各種配管を配置することが好ましい。特に、循環通路２６の上流側配管２６ａは、タンク４２との接続部分が最も低位となるように斜め下方に延在し、ブラケットを介して車両のフレームに固定される。また、排出通路７１の上流側配管は、タンク４２の底部６１から下方に延在し、同様に車両のフレームに固定される。さらに、循環通路２６の下流側配管２６ｂは、タンク４２の天壁部６３から上方に延在し、車両のフレームに固定される。

分離膜４３は、所定の膜厚を有し、その膜厚方向に排ガス中の水素ガスを通過させると共にその膜厚方向に所定の不純ガスを通過させない性質を有している。分離膜４３は、上記に例示した所定の不純ガスのうち、特に窒素の通過を遮断する性質を有している。もっとも、分離膜４３は、水素ガス以外の不純ガスを全てあるいはほぼ全て、膜厚方向への通過を遮断する性質を有してもよい。この種の分離膜４３は、例えばポリイミドやポリアラミドで形成されている。分離膜４３は、燃料電池２の運転に必要な程度に耐熱性を有することが好ましい。

分離膜４３は、水素ガス循環系２４の通路（循環通路２６）を閉塞するように、この通路上のガス導入空間４１に臨んでいる。分離膜４３は、タンク４２の内壁の形状に対応して、例えば円盤状や平板状に形成されている。分離膜４３は、その周縁部がタンク４２の内壁に固定されている。分離膜４３は、膜厚方向に比べて平面方向を大きく形成されている。分離膜４３での圧損（流路抵抗）は、水素ガス循環系２４の通路の圧損と同程度、あるいは通路のうち最も圧損が大きい箇所よりも小さく設定されている。

これを詳述するに、水素ガス循環系２４の循環通路２６の管内に分離膜４３を直接設けたのでは、分離膜４３での圧損が大きくなってしまう。上記のように、循環通路２６の管よりも大きな内径（面積）を有するタンク４２を循環通路２６に介設し、タンク４２内にその内壁に対応した平面積を有する分離膜４３を設けることで、排ガスが分離膜４３に流入する際の流入面積が大きくなる。これにより、分離膜４３での圧損を低減することができると共に、ガスの分離能を高めることができる。そして、分離膜４３での圧損の程度は、水素ガス循環系２４の通路との関係で、上記の如く所定の程度に設定されることで、ポンプ３４の小型化や低消費電力に寄与することができる。

このように構成されたガス分離装置３３では、ポンプ３４の駆動により、タンク４２内の下側空間５１に排ガスが導入される。すると、排ガス中の水素ガスは、分離膜４３を通過して上側空間５２に流れ込み、循環通路２６の下流側を流れて精製後の水素ガスに合流する。一方、排ガス中の所定の不純ガスは、上側空間５２に流れ込むことを分離膜４３によって阻止され、下側空間５１に滞流し続ける。下側空間５１内の不純ガスは、ガス排出系３８によって燃料電池システム１外に適宜排出される。

ガス排出系３８は、タンク４２の底部６１に接続された排出通路７１と、排出通路７１に介設されて排出通路７１を開閉する開閉弁７２と、を有している。開閉弁７２は、電磁弁で構成されたシャットバルブで構成されている。開閉弁７２は、常時閉弁しており、燃料電池システム１の稼働中に所定のタイミングで開弁される。開閉弁７２が開弁することで、下側空間５１内の所定の不純ガスが排出通路７１の下流側へと流れる。この開弁時に、所定の不純ガスと共に水素ガスも排出通路７１へと流れ得る。しかし、分離膜４３により分離されて下側空間５１に大量に滞流した不純ガスは、水素ガスに比べて排出通路７１に積極的に流れる。これにより、所定の不純ガスと共に排出し得る水素ガスの量が極めて抑制されるようになっている。

開閉弁７２を開弁するタイミングは、図示省略したタイマやセンサにより、図外のＥＣＵにより制御することが好ましい。例えば、タイマが計測した所定時間に基づいて、開閉弁７２を定期的に開弁する。同様に、水素ガス循環系２４の通路（循環通路２６、供給通路２１）に設けた温度センサ、圧力センサまたは流速センサなどの検出結果に基づいて、開閉弁７２を開弁および閉弁するようにする。あるいは、タンク４２内の例えば下側空間５１に、所定の不純ガスの濃度を検出する濃度センサを設け、その検出結果に基づいて開閉弁７２を開弁および閉弁するようにする。

排出通路７１の下流端は、大気開放されており、開弁した開閉弁７２を通過したガスは、そのまま大気中に放出される。つまり、排出通路７１を流れる水素ガスの量（濃度）が少ないため、排出通路７１の開閉弁７２の下流側に、水素ガスの濃度を低減するガス処理装置を設けなくて済む。もっとも、フェイルセーフなどの事情を考慮してガス処理装置を設けてもよい。この種のガス処理装置は、希釈器や燃焼器で構成することができる。

なお、排出通路７１上であって且つ開閉弁７２の上流側に、タンク４２の下側空間５１に滞留した所定の不純ガスが導かれる補助タンク（バッファタンク）を、さらに設けることが好ましい。こうすることで、開閉弁７２を開弁する際に、補助タンク内の所定の不純ガスを積極的に大気中に排出することができ、タンク４２のみの構成に比べて、所定の不純ガスと共に排出し得る水素ガスの量をより一層抑制することができる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、水素ガス循環系２４にガス分離装置３３を設け、ここで水素ガスと所定の不純ガスとを分離しているため、純度の高い水素ガスをガス供給源からの水素ガスに合流させることができる。これにより、燃料電池２の発電効率を良好に保つことができる。また、水素ガスと所定の不純ガスとを分離してから、所定の不純ガスの排出を行うようにしているため、不純ガスと共に排出され得る水素ガスの量を極めて抑制することができる。これにより、燃料電池システム１の効率を高めることができる。

＜第２実施形態＞
次に、図３を参照して、第２実施形態に係るガス分離装置９１について説明する。本実施形態のガス分離装置９１は、管状に形成された複数の分離膜９２と、複数の分離膜９２の外周を覆ってこれらを内部に収容したガス誘導通路９３と、を有している。

複数の分離膜９２は、第１実施形態の分離膜４３と同様の性状を有しており、ガスの流れ方向に所定の長さ延在している。複数の分離膜９２の各々は、その上流側が循環通路２６の上流側に接続され、且つその下流側がガス排出系３８に接続されている。複数の分離膜９２の各々は、下流側の部分を取付け板９５に保持されると共に、下流端が取付け板９５を挿通してガス排出系３８の集合管９６内で開放している。集合管９６は、略コーン状からなり、その上流側の環状端面が取付け板９５に固着され、且つその下流側が排出通路７１に連なっている。

取付け板９５は、その周縁部をガス誘導通路９３の管の内壁に固定され、ガス誘導通路９３内のガス誘導空間９４を上流側と下流側とで仕切っている。取付け板９５には、複数の分離膜９２を挿通させるための複数の貫通穴のほか、ガス誘導空間９４の上流側の空間９４ａと下流側の空間９４ｂとを連通させる連通孔９７が一つ以上形成されている。この連通孔９７は、取付け板９５への集合管９６の固定部位から外れた部位に形成されている。ガス誘導通路９３の下流側の空間９４ｂは、循環通路２６の下流側２６ｂに接続されている。

このような構成により、燃料電池２からガス分離装置９１に達した排ガスは、先ず、各分離膜９２が構成する通路の上流側に分配されるように導入される。このとき、排ガスは、ガス誘導通路９３に導入されないようになっている。排ガスが各分離膜９２の通路を流動する際、排ガス中の水素ガスは、分離膜９２を膜厚方向（径方向）に通過してガス誘導空間９４の上流側の空間９４ａに流出し、連通孔９７を介してガス誘導空間９４の下流側の空間９４ｂへと流出し、最終的に循環通路２６の下流側２６ｂに流出する。一方、排ガス中の所定の不純ガスは、分離膜９２を膜厚方向に通過せず、分離膜９２の通路をそのまま流れて集合管９６に流出する。そして、集合管９６に滞流した所定の不純ガスは、開閉弁７２が適宜開放することで、排出通路７１の下流側へと排出される。

以上のようなガス分離装置９１によれば、上記実施形態のガス分離装置３３と同様に、排ガス中の水素ガスと所定の不純ガスとを適切に分離することができる。したがって、純度の高い水素ガスをガス供給源からの水素ガスに合流させることができると共に、所定の不純ガスと共に排出され得る水素ガスの量を極めて抑制することができる。特に、分離膜９２の管長を十分な長さとすることで、上記の実施形態のガス分離装置３３に比べて、開閉弁７２の開弁時に所定の不純ガスと共に排出される水素ガスの量を減らすことができる。

なお、本実施形態では、複数の分離膜９２をガス誘導通路９３内にほぼ均等に分散して設けることが好ましい。また、分離膜９２間で排ガスの差圧を生じさせる流路抵抗を、所定の分離膜９２の内周面に設けてもよい。こうすることで、排ガス中の水素ガスが分離膜９２をその膜厚方向に通過することを促進することができ、より一層、排ガス中の水素ガスと所定の不純ガスとの分離を好適に行える。なおまた、分離膜９２を複数としたが、もちろん一つの分離膜９２であってもよい。また、第１実施形態と同様に、排出通路７１であって且つ開閉弁７２の上流側に、補助タンクをさらに設けてもよい。

さらに、上記各実施形態の変更例として、例えば、ガス分離装置３３、９１をポンプ３４の下流側の循環通路２６に設けてもよいし、ガス分離装置３３、９１を供給通路２１に設けてもよい。また、ガス分離装置３３、９１として膜分離法を適用したもので構成したが、ガス分離装置３３、９１は、圧力スイング吸着法を適用したもので構成してもよい。

＜第３実施形態＞
次に、図４を参照して、第３実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。第１実施形態との相違点について中心に説明し、共通する部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

水素ガス循環系２４の循環通路２６は、本流通路１０１と、本流通路１０１の一部をバイパスするバイパス通路１０２と、で構成されている。本流通路１０１は、燃料電池２の水素排出口２ａから合流点Ａにまで亘っており、上流側から順に、シャットバルブ３１と、気液分離器３２と、ポンプ３４と、逆止弁３５と、を有している。

ポンプ３４と逆止弁３５との間の本流通路１０１には、パージ系１１０のパージ通路１１１が接続されている。パージ通路１１１上には、遮断弁からなるパージ弁１１２と、パージ弁１１２の下流側に位置するガス処理装置１１３と、が設けられている。ガス処理装置１１３は、希釈器や燃焼器で構成される。

バイパス通路１０２は、その上流端がシャットバルブ３１の上流側の本流通路１０１の部分に接続され、その下流端がシャットバルブ３１の下流側の本流通路１０１の部分に接続されている。すなわち、バイパス通路１０２は、シャットバルブ３１を迂回している。なお、バイパス通路１０２は、シャットバルブ３１のみならず、気液分離器３２を迂回するようにしてもよい。

ガス分離装置１２０は、バイパス通路１０２に設けられている。ガス分離装置１２０は、バイパス通路１０２上に設けられ、水素ガスを含む排ガスが導入されるタンク１２１と、タンク１２１の上流側のバイパス通路１０２に設けられた遮断弁１２２と、タンク１２１の下流側のバイパス通路１０２上に設けられた遮断弁１２３と、タンク１２１内に設けられ、不純ガスの量を検出する検出ユニット１２４と、を備えている。

タンク１２１は、所定量の排ガスを貯留可能に構成されているが、第１実施形態と異なり、内部に分離膜を具備していない。タンク１２１の上部にバイパス通路１０２の上流側および下流側がそれぞれ接続され、タンク１２１の底部にガス排出系３８の排出通路７１が接続されている。そして、排出通路７１には、これを開閉する開閉弁７２が設けられている。

二つの遮断弁１２２，１２３は、燃料電池システム１全体を統括制御する制御装置１３０に接続され、開閉制御される。なお、制御装置１３０には、二つの遮断弁１２２，１２３のほか、シャットバルブ２８、シャットバルブ３１、ポンプ３４、開閉弁７２、パージ弁１１２および後述する位置センサ１４２が接続されている。二つの遮断弁１２２，１２３は、燃料電池システム１の運転中に適宜開弁することができる。二つの遮断弁１２２，１２３を開弁することで、燃料電池２からの排ガスをタンク１２１内に導き、タンク１２１内で排ガスを流動させることができる。なお、タンク１２１内に排ガスを導く際に、シャットバルブ３１を閉弁してもよいし、開弁したままとしてもよい。

一方、二つの遮断弁１２２，１２３を閉弁することで、タンク１２１内は密閉空間となり、タンク１２１内の排ガスの流れが静止する。この静止状態を所定時間だけ放置することにより、タンク１２１内の排ガスは、比重差により水素ガスと所定の不純ガスとに分離される。つまり、タンク１２１内の上方には、分子量の小さい水素ガスが滞留し、タンク１２１内の下方には、分子量の大きい不純ガスが滞留することになる。

これにより、タンク１２１内で分離された水素ガスは、下流側の遮断弁１２３を開弁することで本流通路１０１を介して再び燃料電池２に供給されるようになる。一方、タンク１２１内で分離された不純ガスは、開閉弁７２を開弁することで排出通路７１を介してシステム１外に排出されるようになる。このような二つの遮断弁１２２，１２３および制御装置１３０により、タンク１２１内の排ガスの流れを静止させて、水素ガスと所定の不純ガスとを比重差によりタンク１２１内で分離する静止装置が構成されている。

検出ユニット１２４は、タンク１２１内に設けられたフロート１４１と、フロート１４１の位置を検出する位置センサ１４２と、を有している。フロート１４１は、水素ガスよりも分子量が大きく且つ不純ガスよりも分子量が小さい気体を封入して構成されている。例えば、フロート１４１は、不純ガスの窒素よりも分子量が小さいヘリウムを封入して構成されている。これにより、タンク１２１内の気体が水素ガスと不純ガス（窒素）とに分離されて、タンク１２１内の上方には水素ガスが滞留し且つタンク１２１内の下方には不純ガスが滞留した場合に、その境界ライン上にフロート１４１が位置するようになる。

位置センサ１４２は、制御装置１３０に接続されており、フロート１４１の位置の検出結果を制御装置１３０に出力する。制御装置１３０は、位置センサ１４２の検出結果に基づいて、タンク１２１内で分離された不純ガスの量を算出し、その算出結果に基づいて、開閉弁や遮断弁１２２，１２３を開閉制御する。位置センサ１４２は、各種の構成を適用することができる。

例えば、位置センサ１４２は、タンク１２１の上部であって且つバイパス通路１０２との接続部よりも下側に設けられ、この高さ位置に達したフロート１４１を検出する第一のセンサ１５１と、タンク１２１の底部に設けられ、これに接したフロート１４１を検出する第二のセンサ１５２と、で構成される。タンク１２１内で分離された不純ガスを外部に排出する場合には、第一のセンサ１５１および第二のセンサ１５２の各検出結果に基づいて、ガス排出系３８の開閉弁７２を制御する。

詳細には、第一のセンサ１５１がフロート１４１を検出することにより、開閉弁７２を開弁するようにする。これにより、不純ガスが排出通路７１へと排出され、フロート１４１の高さレベルが低くなる。フロート１４１がタンク１２１の底部に達すると、フロート１４１の下部が第二のセンサ１５２に接する。これにより、タンク１２１内の不純ガスが完全に排出されたことが検出される。この検出結果を受けて、開閉弁７２を閉弁することで、水素ガス循環系２４からの不純ガスの排出が完了する。

そして、不純ガスの排出後には、下流側の遮断弁１２３、上流側の遮断弁１２２の順に開弁して、あるいはこれらを同時に開弁して、タンク１２１内で分離された水素ガスを再び本流通路１０１に導くようにする。これにより、ガス分離装置１２０による一連の分離処理が完了し、次の分離処理のために排ガスがタンク１２１内に導入されることになる。そして、次の分離処理において排ガスがタンク１２１内で分離されると、フロート１４１が浮かんで上昇するようになる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、ガス分離装置１２０を水素ガス循環系２４に設けているため、純度の高い水素ガスをガス供給源からの水素ガスに合流させることができる。これにより、水素ガス循環系２４における不純ガスの濃度を所定の閾値以下となるように制御することができ、燃料電池２の発電効率を良好に保つことができる。

また、水素ガスと所定の不純ガスとを分離してから、所定の不純ガスの排出を行うようにしているため、不純ガスと共に排出され得る水素ガスの量を極めて抑制することができる。これにより、燃料電池システム１の効率を高めることができると共に、パージ系１１０を省略したシステム構成とすることができる。また、バイパス通路１０２にガス分離装置１２０を設けているため、水素ガス循環系２４における水素ガスの流れを妨げることなく、ガス分離装置１２０で水素ガスと所定の不純ガスとを分離することができる。

なお、フロート１４１がタンク１２１内において適切に上昇および下降するように、タンク１２１内に位置決め機構を設けることが好ましい。位置決め機構は、例えば、上下方向に亘って隔壁を延在させて構成し、この隔壁でタンク１２１内を例えば左右に仕切るようにすればよい。そして、フロート１４１をタンク１２１内の左右の空間の一方に設けて、フロート１４１が隔壁の壁面に沿って上下方向に移動するようにすると共に、その左右の空間同士を連通させる貫通孔を隔壁に設ければよい。なお、この隔壁に位置センサ１４２など、検出ユニット１２４を設けるようにしてもよい。

＜第４実施形態＞
次に、図５を参照して、第４実施形態に係るガス分離装置１６０について説明する。本実施形態のガス分離装置１６０は、水素ガスと所定の不純ガスとをその比重差を利用して遠心分離するものである。

ガス分離装置１６０は、排ガスが導入されるガス導入空間１７１を内部に有するタンク１７２を備えている。タンク１７２の上部側の側壁部１８１には、循環通路２６の上流側２６ａが接続され、タンク１７２の天壁部１８２には、循環通路２６の下流側２６ｂがタンク１７２内の中央部にまで達するようにして接続されている。タンク１７２の底部１８３には、ガス導入空間１７１に連通する貯留空間１９１を有する補助タンク１９２が接続されている。補助タンク１９２の上部の側壁には、ガス排出系３８の開閉弁７２が設けられている。補助タンク１９２の底部には、排水バルブ１９４が設けられている。

ガス分離装置１６０の作用について説明する。ガス導入空間１７１に排ガスが導入されると、図外のディフレクタ等によってガス導入空間１７１の排ガスが旋回運動する。これにより、比重差のある水素ガスと不純ガスとは分離され、水素ガスは循環通路２６の下流側２６ｂに流出される一方、不純ガスは補助タンク１９２の貯留空間１９１に達するようになる。貯留空間１９１の不純ガスは、開閉弁７２を開弁することでシステム外に排気される。また、この排ガスの旋回運動の際、排ガス中に含まれる水滴は、気体分から分離するように飛散してタンク１７２の内壁に付着し、これを伝って貯留空間１９１の下方に溜まるようになる。貯留空間１９１の下方に溜まった水は、排水バルブ１９４を開弁することでシステム外に排水される。

本実施形態のガス分離装置１６０によれば、上記同様に水素ガスと不純ガスとを分離することができるため、純度の高い水素ガスをガス供給源からの水素ガスに合流させることができる。したがって、燃料電池２の発電効率を良好に保つことができる。また、貯留空間１９１の上方に溜まった不純ガスを排出するため、不純ガスと共に排出され得る水素ガスの量を極めて抑制することができる。また、ガス分離装置１６０では、排ガスに含まれる水分をも水素ガスから分離することができるため、水素ガス循環系２４の気液分離器を省略することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。 第１実施形態に係るガス分離装置まわりの構成を模式的に示す断面図である。 第２実施形態に係るガス分離装置まわりの構成を模式的に示す斜視図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。 第４実施形態に係るガス分離装置まわりの構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム、２ 燃料電池、２１ 供給通路、２４ 水素ガス循環系、２６ 循環通路、３３ ガス分離装置、３８ ガス排出系、４１ ガス導入空間、４２ タンク、４３ 分離膜、５１ 下側空間、５２ 上側空間、７１ 排出通路、７２ 開閉弁、９１ ガス分離装置、９２ 分離膜、９３ ガス誘導通路、９４ ガス誘導空間、１０１ 本流通路、１０２ バイパス通路、１２０ ガス分離装置、１２１ タンク、１２２ 遮断弁（静止装置）、１２３ 遮断弁（静止装置）、１２４ 検出ユニット、１３０ 制御装置、１４１ フロート、１４２ 位置センサ、１６０ ガス分離装置、１７２ タンク

Claims (10)

1. 精製後の水素ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出された水素ガスを含む排ガスを、精製後の水素ガスに合流させて当該燃料電池に再び供給する水素ガス循環系と、
   前記水素ガス循環系に設けられ、排ガス中の水素ガス以外の所定の不純ガスと水素ガスとを分離するガス分離装置と、
   前記ガス分離装置に接続され、当該ガス分離装置で分離された不純ガスを排出するガス排出系と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記水素ガス循環系は、排ガスが精製後の水素ガスに合流する前の循環通路と、当該循環通路に連なり、排ガスが精製後の水素ガスに合流した後の供給通路と、を有しており、
   前記ガス分離装置は、前記循環通路に設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ガス分離装置は、前記水素ガス循環系の通路に臨み、水素ガスの通過を許容し且つ所定の不純ガスの通過を遮断する分離膜を有し、
   前記分離膜をその膜厚方向に通過した水素ガスは再び前記燃料電池に供給され、且つ前記分離膜の膜厚方向への通過を遮断された所定の不純ガスは前記ガス排出系に排出される請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス分離装置は、前記水素ガス循環系の通路に連通するガス導入空間を有し、
   前記ガス導入空間は、前記分離膜によって二つの空間に仕切られた構成からなり、その一方の空間には、前記通路の上流側および前記ガス排出系が接続され、且つその他方の空間には、前記通路の下流側が接続されている請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記分離膜は、前記ガス導入空間を上下に仕切っており、その上側の空間が前記一方の空間からなり、且つその下側の空間が前記他方の空間からなる請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記分離膜は、管状からなり、その上流側が前記通路の上流側に接続され、且つその下流側が前記ガス排出系に接続され、
   前記ガス分離装置は、前記分離膜の外周を覆うガス誘導空間を有し、
   前記ガス誘導空間は、前記通路の下流側に接続され、当該分離膜の内部から外部に通過した水素ガスを前記通路の下流側に流動させる請求項３に記載の燃料電池システム。
7. 前記分離膜は、所定の不純ガスのうち少なくとも窒素の通過を遮断する請求項３ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記分離膜での圧損は、前記通路のうち最も圧損が大きい箇所よりも小さく設定されている請求項３ないし７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記循環通路は、
   前記燃料電池の排ガス出口から前記供給通路に亘る本流通路と、
   前記本流通路の一部をバイパスするバイパス通路と、を有しており、
   前記ガス分離装置は、
   前記バイパス通路に設けられ、排ガスが導入されるタンクと、
   前記タンク内の排ガスの流れを静止させて、水素ガスと所定の不純ガスとを比重差により当該タンク内で分離する静止装置と、を有し、
   前記静止装置により分離された水素ガスは、再び前記燃料電池に供給され、且つ前記静止装置により分離された所定の不純ガスは、前記ガス排出系に排出される請求項２に記載の燃料電池システム。
10. 前記ガス排出系は、
    前記ガス分離装置に接続され、所定の不純ガスを外部に排出する排出通路と、
    前記排出通路に設けられ、当該排出通路を開閉する開閉弁と、
    を有する請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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