JP2012174395A - 固体高分子形燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】長期間にわたって発電運転を行なってもスタック内での雰囲気の蓄積を大きく抑制できるクローズ系の固体高分子形燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】スタック１１０のセパレータが、スタック１１０の周辺雰囲気とガス流通部との間を仕切るように仕切水３ａを流通させる仕切水路を有し、貯水槽１４１が、スタック１１０から送出された水素ガス２と水３とを分離する気水分離手段と、温調水３ａの貯留手段と、仕切水３ｂの貯留手段とを兼用することにより、水素ガス２から分離した水３を温調水３ａ及び仕切水３ｂに利用できる固体高分子形燃料電池発電システム１００とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、供給された燃料ガス及び酸化ガスをすべて消費することにより、系外へガスを排出しなくても済むようにしたクローズ系の固体高分子形燃料電池発電システムに関する。

固体高分子形燃料電池は、導電性及びガス透過性を有する燃料極及び酸化極でプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を挟んだセルと導電性を有すると共に燃料ガス流通部及び酸化ガス流通部を形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックを備え、水素ガスを含有する燃料ガスが当該スタックの上記セパレータの燃料ガス流通部内を流通すると共に、酸素ガスを含有する酸化ガスが当該スタックの上記セパレータの酸化ガス流通部内を流通すると、上記燃料ガス中の水素ガスと上記酸化ガス中の酸素ガスとが上記セルで電気化学的に反応して、水を発生させると共に、電力を発生させることができるようになっている。

このような固体高分子形燃料電池の発電システムにおいては、例えば、燃料ガスとして水素ガスそのものをスタックへ供給すると共に、酸化ガスとして酸素ガスそのものをスタックへ供給して、当該スタックで上記ガスを前記電気化学反応ですべて消費させるようにすることにより、系外へガスを排出しなくても済むようにしたクローズ系のものが知られている（例えば、下記特許文献１，２等参照）。

特開２００８−１４７１７８号公報 特開２００８−１４７１７９号公報 特開２００９−００９７８０号公報 特開２０００−０５８０９２号公報 特開２００２−０６３９２１号公報

しかしながら、前述したような従来のクローズ系の固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、前記スタックの隣り合う前記セパレータ間や当該セパレータと前記セルとの間をシールする高分子材料からなるシール材中を周囲環境の雰囲気（例えば、空気）が僅かずつ徐々に拡散侵入していくため、長期間にわたって発電運転を行なっていると（例えば、数百時間）、当該スタックの燃料ガス流通部内や酸化ガス流通部内に前記雰囲気中の不活性ガス成分（例えば、窒素ガス）が次第に蓄積して、当該ガス流通部内を流通する水素ガスや酸素ガスの濃度が低下してしまい、発電性能が低下してしまう場合があった。

このようなことから、本発明は、長期間にわたって発電運転を行なっても、周囲環境の雰囲気からの不活性ガス成分のスタック内での蓄積を大きく抑制することができるクローズ系の固体高分子形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、燃料極及び酸化極で固体高分子電解質を挟んだセルと、燃料ガス流通部及び酸化ガス流通部を形成されると共に温調水流通部を形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックと、前記スタックの前記セパレータの前記燃料ガス流通部へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記スタックの前記セパレータの前記酸化ガス流通部へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記スタックの前記セパレータの前記燃料ガス流通部から送出された前記燃料ガスから水を分離する気水分離手段を有すると共に、当該水を分離された当該燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料ガス供給手段に供給する燃料ガス循環利用手段と、前記スタックの前記セパレータの前記酸化ガス流通部から送出された前記酸化ガスから水を分離する気水分離手段を有すると共に、当該水を分離された当該酸化ガスの少なくとも一部を前記酸化ガス供給手段に供給する酸化ガス循環利用手段と、温調水を貯留する温調水貯留手段と、上記温調水貯留手段の上記温調水を前記スタックの前記セパレータの前記温調水流通部に送給する温調水送給手段と、上記温調水流通部を流通した上記温調水を上記温調水貯留手段に回収する温調水回収手段とを有する温調水循環流通手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記スタックの前記セパレータが、当該スタックの周辺雰囲気と前記ガス流通部との間を仕切るように内部に仕切水を流通させる仕切水路を有し、前記スタックの前記セパレータの前記仕切水路に流通させる前記仕切水を貯留する仕切水貯留手段と、上記仕切水貯留手段の上記仕切水を上記仕切水路に送給する仕切水送給手段と、上記仕切水路を流通した上記仕切水を上記仕切水貯留手段に回収する仕切水回収手段とを有する仕切水循環流通手段を備え、前記仕切水循環流通手段の前記仕切水貯留手段が、前記燃料ガス循環利用手段又は前記酸化ガス循環利用手段の前記気水分離手段、前記温調水循環流通手段の前記温調水貯留手段、の少なくとも一方と兼用されて、前記燃料ガス循環利用手段又は前記酸化ガス循環利用手段の前記気水分離手段で分離された前記水及び前記温調水の少なくとも一方を前記仕切水に利用することを特徴とする。

第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記仕切水循環流通手段の前記仕切水貯留手段が、前記燃料ガス循環利用手段及び前記酸化ガス循環利用手段の一方の前記気水分離手段と兼用されているとき、前記水を内部に貯留する貯水槽と、前記貯水槽の内部を水平方向で２室に仕切るように当該貯水槽の内部に上下方向に沿って配設されて当該貯水槽の内部の仕切られた一方の室と他方の室とを当該貯水槽の内部の下方側で連通させる連通部を有する仕切板とを備え、前記仕切水循環流通手段の前記仕切水回収手段及び前記温調水循環流通手段の前記温調水回収手段が、上記仕切水貯留手段の上記貯水槽の上記一方の室に連絡し、上記仕切水貯留手段の上記貯水槽の上記他方の室が、前記燃料ガス循環利用手段及び前記酸化ガス循環利用手段の一方の前記気水分離手段をなしていることを特徴とする。

第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記仕切水貯留手段の前記貯水槽の前記一方の室の内部の気圧を規定値以下に保持するように当該一方の室の内部のガスを系外へ排出するリーク手段を備えていることを特徴とする。

第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第三番目の発明において、前記仕切水貯留手段の前記貯水槽の前記一方の室の内部の気圧と前記他方の室の内部の気圧との差を規定値以下に保持するように当該他方の室の内部のガスを当該一方の室の内部へ送給可能にする均圧手段を備えていることを特徴とする。

第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記仕切水循環流通手段が、前記水中の金属イオンを除去する金属イオン除去手段を備えていることを特徴とする。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、スタックの隣り合うセパレータ間を雰囲気が僅かずつ徐々に拡散侵入しても、当該雰囲気ガスを上記仕切水と共に上記スタックの外部へ排出して仕切水貯留手段に回収することができるので、クローズ系で長期間にわたって発電運転を行っても（例えば、数百時間）、スタックの燃料ガス流通部内や酸化ガス流通部内への前記雰囲気中の不活性ガス成分（例えば、窒素ガス）の蓄積を防止することができ、当該ガス流通部内を流通する水素ガスや酸素ガスの濃度低下を抑制して、発電性能の低下を抑制することができる。

また、仕切水循環流通手段の仕切水貯留手段が、燃料ガス循環利用手段又は酸化ガス循環利用手段の気水分離手段、温調水循環流通手段の温調水貯留手段、の少なくとも一方と兼用されて、燃料ガス循環利用手段又は酸化ガス循環利用手段の気水分離手段で分離された水及び温調水の少なくとも一方を仕切水に利用するようにしたので、システム全体の容積の増加を抑制することができ、設置スペースの広大化を抑えることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の全体概略構成図である。 図１の固体高分子形燃料電池発電システムのスタックのセパレータの概略構成図である。 図２の III−III 線断面矢線視図である。 図２のIV−IV線断面矢線視図である。 図２の V−V 線断面矢線視図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの他の実施形態のスタックのセパレータの概略構成図である。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

［主な実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態を図１〜５に基づいて説明する。

図１に示すように、酸化ガスである酸素ガス１を送給する酸素ガスボンベ１２１のガス送出口は、当該酸素ガスボンベ１２１からの酸素ガス１を加湿する加湿器１２３のガス受入口にバルブ１２２を介して接続している。上記加湿器１２３のガス送出口は、スタック１１０の酸化ガス受入口に接続している。上記スタック１１０の酸化ガス排出口は、当該スタック１１０から送出された使用済みの酸素ガス１から水３を分離する気水分離手段であるドレンポット１２４の受入口に接続している。上記ドレンポット１２４のガス送出口は、循環ブロア１２５のガス受入口に接続している。上記循環ブロア１２５のガス送出口は、前記加湿器１２３と前記スタック１１０の酸化ガス受入口との間に接続している。前記ドレンポット１２４と前記ブロア１２５との間は、系外へ連絡するバルブ１２６に接続している。

他方、燃料ガスである水素ガス２を送給する水素ガスボンベ１３１のガス送出口は、当該水素ガスボンベ１３１からの水素ガス２を加湿する加湿器１３３のガス受入口にバルブ１３２を介して接続している。上記加湿器１３３のガス送出口は、スタック１１０の燃料ガス受入口に接続している。上記スタック１１０の燃料ガス排出口は、内部に水３を貯留する密封型の貯水槽１４１（詳細は後述する）の上部側の燃料ガス受入口に接続している。上記貯水槽１４１の上部側の燃料ガス送出口は、循環ブロア１３５のガス受入口に接続している。上記循環ブロア１３５のガス送出口は、前記加湿器１３３と前記スタック１１０の燃料ガス受入口との間に接続している。前記貯水槽１４１と前記ブロア１３５との間は、系外へ連絡するバルブ１３６に接続している。

そして、前記スタック１１０は、燃料極及び酸化極で固体高分子電解質を挟んだセルと、燃料ガス流通部及び酸化ガス流通部を形成されると共に温調水流通部を形成されたセパレータとを交互に複数積層した構造となっており、当該セパレータは、図２〜５に示すような構造をなしている。

前記セパレータ１１１は、図２〜５に示すように、セルに水素ガス２を供給する燃料ガス流通路１１２ａと、セルに酸素ガス１を供給する酸化ガス流通路１１３ａと、温調水３ａを流通させる温調水流通路１１４ａと、燃料ガス流通路１１２ａに水素ガス２を分配供給する燃料ガス供給マニホールド１１２ｂと、酸化ガス流通路１１３ａに酸素ガス１を分配供給する酸化ガス供給マニホールド１１３ｂと、温調水流通路１１４ａに温調水３ａを分配供給する温調水供給マニホールド１１４ｂと、燃料ガス流通路１１２ａから水素ガス２を回収する燃料ガス回収マニホールド１１２ｃと、酸化ガス流通路１１３ａから酸素ガス１を回収する酸化ガス回収マニホールド１１３ｃと、温調水流通路１１４ａから温調水３ａを回収する温調水回収マニホールド１１４ｃとを備えている。

さらに、前記セパレータ１１１の一方面及び他方面の周縁側には、当該周縁に沿って仕切水路１１５ａがそれぞれ形成されている。さらに、上記セパレータ１１１には、前記仕切水路１１５ａに仕切水３ｂを供給する仕切水供給路１１５ｂと、前記仕切水路１１５ａからの前記仕切水３ｂを回収する仕切水回収路１１５ｃとがそれぞれ形成されている。

また、前記セパレータ１１１の前記流通路１１２ａ，１１３ａ及び前記マニホールド１１２ｂ〜１１４ｂ，１１２ｃ〜１１４ｃの、当該セパレータ１１１の両面側の周縁部分には、高分子材料等からなるシール材１１６がそれぞれ設けられている。そして、前記セパレータ１１１の前記仕切水路１１５ａの、当該セパレータ１１１の両面側の周縁部分にも、高分子材料等からなるシール材１１７がそれぞれ設けられている。

そして、図１に示すように、前記貯水槽１４１の下部には、当該貯水槽１４１内の前記水３を送給する循環ポンプ１５１の受入口が接続している。上記循環ポンプ１５１の送出口は、上記水３中の金属イオンを除去するイオン交換樹脂を内装した金属イオン除去手段である金属イオン除去器１５２の受入口に接続している。上記金属イオン除去器１５２の送出口は、前記スタック１１０の温調水受入口及び仕切水受入口に接続している。前記スタック１１０の温調水送出口及び仕切水送出口は、前記貯水槽１４１の循環水受入口に接続している。

前記貯水槽１４１の内部には、当該貯水槽１４１の内部を前記燃料ガス受入口及び前記燃料ガス送出口側（図１中、右側）と前記循環水受入側（図１中、左側）とに水平方向で２室に仕切る仕切板１４２が上下方向に沿うようにして配設されている。上記仕切板１４２の下方側には、当該仕切板１４２で仕切られた上記貯水槽１４１の内部の一方の室１４１ａ（図１中、左側）と他方の室１４１ｂ（図１中、右側）とを連通させる連通部１４２ａが形成されている。

前記貯水槽１４１には、内部の水３を温度調整する温調器１４３が設けられている。前記貯水槽１４１の前記一方の室１４１ａの上部寄りには、当該一方の室１４１ａの内部の気圧を規定値以下に保持するように当該一方の室１４１ａの内部のガスを系外へ排出するリーク手段である安全弁１４４が連結されている。前記貯水槽１４１の前記一方の室１４１ａの上部側と前記他方の室１４１ｂの上部側との間は、当該一方の室１４１ａの内部の気圧と当該他方の室１４１ｂの内部の気圧との差を規定値以下に保持するように当該他方の室１４１ｂの内部のガスを当該一方の室１４１ａの内部へ送給可能にする均圧手段である安全弁１４５を介して連結されている。

なお、本実施形態においては、前記燃料ガス流通路１１２ａ，前記燃料ガス供給マニホールド１１２ｂ，前記燃料ガス回収マニホールド１１２ｃ等により、燃料ガス流通部が構成され、前記酸化ガス流通路１１３ａ，前記酸化ガス供給マニホールド１１３ｂ，前記酸化ガス回収マニホールド１１３ｃ等により、酸化ガス流通部が構成され、前記温調水流通路１１４ａ，前記温調水供給マニホールド１１４ｂ，前記温調水回収マニホールド１１４ｃ等により、温調水流通部が構成され、前記酸素ガスボンベ１２１，前記バルブ１２２，前記加湿器１２３等により、酸化ガス供給手段が構成され、前記ドレンポット１２４，前記循環ブロア１２５，前記バルブ１２６等により酸化ガス循環利用手段が構成され、前記水素ガスボンベ１３１，前記バルブ１３２，前記加湿器１３３等により、燃料ガス供給手段が構成され、前記貯水槽１４１，前記仕切板１４２等により、仕切水貯留手段及び温調水貯留手段が兼ねて構成されると共にさらに燃料ガス循環利用手段の気水分離手段も兼ねて構成され、前記循環ポンプ１５１等により、温調水送給手段及び温調水回収手段並びに仕切水送給手段及び仕切水回収手段が兼ねて構成され、前記貯水槽１４１，前記仕切板１４２，前記循環ブロア１３５，前記バルブ１３６等により、燃料ガス循環利用手段が構成され、前記貯水槽１４１，前記仕切板１４２，前記温調器１４３，前記循環ポンプ１５１，前記金属イオン除去器１５２等により、温調水循環流通手段及び仕切水循環流通手段が兼ねて構成されている。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００において、前記バルブ１２２，１３２を開放すると共に前記循環ブロア１２５，１３５を作動することにより、前記ガスボンベ１２１，１３１内の前記ガス１，２を送給すると共に、前記温調器１４３及び前記循環ポンプ１５１を作動して前記貯水槽１４１内の前記水３を所定の温度に調整しながら送給すると、上記ガス１，２は、前記加湿器１２３，１３３で加湿された後に前記スタック１１０に供給され、前記セパレータ１１１の前記ガス供給マニホールド１１２ｂ，１１３ｂを介して前記ガス流通路１１２ａ，１１３ａを流通し、前記セルに供給されることにより、電気化学的に反応して電力を発生させると共に水３を生成する。

上記電気化学反応に関与しなかった残余の酸素ガス１は、前記酸化ガス回収マニホールド１１３ｃを介して上記スタック１１０の内部から前記水３と共に排出され、前記ドレンポット１２４に送給されて当該水３を分離された後、前記循環ブロア１２５により、当該ドレンポット１２４から送出されて、前記加湿器１２３で加湿された前記酸素ガスボンベ１２１からの新たな酸素ガス１と共に上記スタック１１０の内部に再び供給されて再利用される。

また、上記電気化学反応に関与しなかった残余の水素ガス２は、前記水素ガス回収マニホールド１１２ｃを介して上記スタック１１０の内部から前記水３と共に排出され、前記貯水槽１４１の前記一方の室１４１ａに送給されて当該水３を分離された後、前記循環ブロア１３５により、当該貯水槽１４１の当該一方の室１４１ａから送出されて、前記加湿器１３３で加湿された前記水素ガスボンベ１３１からの新たな水素ガス２と共に上記スタック１１０の内部に再び供給されて再利用される。

他方、前記貯水槽１４１内の前記水３は、前記金属イオン除去器１５２で金属イオンを除去されてから、温調水３ａと仕切水３ｂとに分けられて前記スタック１１０内に供給される。

前記温調水３ａは、前記セパレータ１１１の前記温調水供給マニホールド１１４ｂを介して前記温調水流通路１１４ａ内を流通することにより、当該スタック１１０を所定の温度に調整した後、前記温調水回収マニホールド１１４ｃを介して当該スタック１１０の外部へ送出され、上記貯水槽１４１の前記一方の室１４１ａ側に回収される。

また、上記仕切水３ｂは、前記セパレータ１１１の前記仕切水供給路１１５ｂを介して前記仕切水路１１５ａ内を流通することにより、上記スタック１１０の周辺雰囲気と前記ガス流通流通路１１２ａ，１１３ａとの間を仕切りながら、前記仕切水回収路１１５ｃに流入して当該スタック１１０の外部へ送出され、上記貯水槽１４１の前記一方の室１４１ａ側に回収される。

このとき、隣り合う上記セパレータ１１１間や当該セパレータ１１１と前記セルとの間をシールする前記シール材１１６中を周囲環境の雰囲気（例えば、空気）が僅かずつ徐々に拡散侵入しても、当該雰囲気ガスが上記仕切水３ｂと共に上記スタック１１０の外部へ排出されて前記貯水槽１４１の前記一方の室１４１ａ内に回収されてしまうため、前記ガス流通路１１２ａ，１１３ａ内を流通する前記ガス１，２中に混入してしまうことはない。

また、前記仕切板１４２で仕切られた前記一方の室１４１ａ側に前記温調水３ａ及び前記仕切水３ｂを回収することから、当該仕切水３ａ及び前記仕切水３ｂと共に回収された上記雰囲気が前記他方の室１４１ｂ側に侵入することはなく、前記スタック１１０から排出されて当該スタック１１０に再度供給する前記水素ガス２中に混入することはない。

このようにして発電運転を行っていくにしたがって、前記貯水槽１４１の前記一方の室１４１ａ内に回収された前記雰囲気が徐々に蓄積し、当該一方の室１４１ａ内の気圧が徐々に上昇して規定値を超えると、前記安全弁１４４が作動して当該一方の室１４１ａ内のガスを系外へ放出することにより、当該一方の室１４１ａ内の気圧を規定値以下に保持する。

また、前記安全弁１４４の開放によって、万が一、前記一方の室１４１ａ内の気圧が低下し過ぎて、当該一方の室１４１ａ内の気圧と前記他方の室１４１ｂ内の気圧との差が規定値を超えてしまうと、前記安全弁１４５が作動して当該他方の室１４１ｂ内の水素ガス２が当該一方の室１４１ａ内に流入することにより、当該一方の室１４１ａ内の気圧と当該他方の室１４１ｂ内の気圧との差が規定値以下に保持される。

このような上記安全弁１４４，１４５の作動により、前記一方の室１４１ａ側と前記他方の室１４１ｂ側との前記水３の液面の高さ位置の差は、常に規定の範囲内に調整される。

つまり、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、スタック１１０の隣り合うセパレータ１１１の前記ガス流通部１１２ａ〜１１２ｃ，１１３ａ〜１１３ｃの間と当該スタック１１０の周辺雰囲気との間を仕切水３ａで仕切るように、当該セパレータ１１１の面側の周縁に沿って設けた前記仕切水路１１５に仕切水３ｂを循環流通させるようにしたのである。

このため、スタック１１０の隣り合うセパレータ１１１間や当該セパレータ１１１と前記セルとの間をシールする前記シール材１１６中を雰囲気が僅かずつ徐々に拡散侵入しても、当該雰囲気ガスを上記仕切水３ｂと共に上記スタック１１０の外部へ排出して前記貯水槽１４１の前記一方の室１４１ａ内に回収することができ、前記ガス流通路１１２ａ，１１３ａ内を流通する前記ガス１，２中に上記雰囲気を混入させてしまうことを防止することができる。

したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００によれば、クローズ系で長期間にわたって発電運転を行っても（例えば、数百時間）、スタック１１０の前記燃料ガス流通部内や前記酸化ガス流通部内への前記雰囲気中の不活性ガス成分（例えば、窒素ガス）の蓄積を防止することができ、当該ガス流通部内を流通する水素ガス２や酸素ガス１の濃度低下を抑制して、発電性能の低下を抑制することができる。

また、前記貯水槽１４１において、前記仕切板１４２で仕切られた前記他方の室１４１ｂで前記水素ガス２と前記水３との分離を行うと共に、前記仕切板１４２で仕切られた前記一方の室１４１ａで前記温調水３ａ及び前記仕切水３ｂを回収し、前記仕切板１４２の前記連通部１４２ａで連通させた上記一方の室１４１ａ及び上記他方の室１４１ｂの内部の水３を前記スタック１１０に上記温調水３ａ及び上記仕切水３ｂとして送給できるようにした、すなわち、前記貯水槽１４１が、前記スタック１１０から排出された前記燃料ガス２と水３とを分離する気水分離手段と、温調水３ａを貯留する温調水貯留手段と、仕切水３ｂを貯留する仕切水貯留手段とを兼ねて、上記気水分離手段で分離された前記水３を前記温調水３ａ及び前記仕切水３ｂに利用できるようにしたので、システム全体の容積の増加を抑制することができ、設置スペースの広大化を抑えることができる。

さらに、前記貯水槽１４１の前記一方の室１４１ａに前記安全弁１４４を設けることにより、当該一方の室１４１ａ内に回収された前記雰囲気の蓄積に伴う当該一方の室１４１ａ内の気圧の上昇を抑制すると共に、当該貯水槽１４１の当該一方の室１４１ａと前記他方の室１４１ｂとを前記安全弁１４５を介して接続することにより、前記安全弁１４４の開放による当該一方の室１４１ａ内の気圧の大幅な低下を抑制するようにしたので、当該一方の室１４１ａ側と当該他方の室１４１ｂ側との前記水３の液面の高さ位置の差を常に規定の範囲内に調整することができ、当該一方の室１４１ａ側と当該他方の室１４１ｂ側との気相での連通を確実に防止することができる。

［他の実施形態］
なお、前述した実施形態においては、図２等に示したように、前記セパレータ１１１の面側の周縁に沿って仕切水路１１５ａ及びシール材１１７を設けることにより、隣り合う上記セパレータ１１１の前記ガス流通部１１２ａ〜１１２ｃ，１１３ａ〜１１３ｃの間と前記スタック１１０の周辺雰囲気との間を仕切水３ｂで仕切るようにしたが、他の実施形態として、例えば、図６に示すように、セパレータ２１１の前記ガス流通部１１２ａ〜１１２ｃ，１１３ａ〜１１３ｃの面側の周縁に沿って仕切水路２１５ａ及びシール材２１７をそれぞれ設けることにより、隣り合うセパレータ２１１の前記ガス流通部１１２ａ〜１１２ｃ，１１３ａ〜１１３ｃの間とスタックの周辺雰囲気との間を仕切水３ｂで仕切るようにすることも可能である。なお、図６中、２１５ｂは仕切水供給路、２１５ｃは仕切水回収路である。

また、前述した実施形態においては、前記セパレータ１１１，２１１に形成した仕切水路１１５ａ，２１５ａに仕切水３ｂを流通させるようにしたが、他の実施形態として、例えば、上記仕切水路１１５ａ，２１５ａを省略して前記シール材１１７，２１７のみで仕切水路を形成して仕切水３ｂを流通させるようにすることも可能である。しかしながら、前述した実施形態のように、前記セパレータ１１１，２１１に上記仕切水路１１５ａ，２１５ａを形成して仕切水３ｂを流通させるようにすると、当該仕切水３ｂの流通時の圧損を小さくして流通させやすくすることができるので好ましい。

また、前述した実施形態においては、前記仕切板１４２で仕切られた前記他方の室１４１ｂで前記水素ガス２と前記水３との分離を行う貯水槽１４１、すなわち、前記スタック１１０から排出された前記水素ガス２と水３とを分離する気水分離手段と、温調水３ａを貯留する温調水貯留手段と、仕切水３ｂを貯留する仕切水貯留手段とを兼ねた貯水槽１４１を適用することにより、上記水素ガス２から分離した水３を温調水３ａ及び仕切水３ｂに利用できるようにした場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、前記仕切板１４２で仕切られた前記他方の室１４１ｂで前記酸素ガス１と前記水３との分離を行う貯水槽、すなわち、前記スタック１１０から排出された前記酸素ガス１と水３とを分離する気水分離手段と、温調水３ａを貯留する温調水貯留手段と、仕切水３ｂを貯留する仕切水貯留手段とを兼ねた貯水槽を適用することにより、上記酸素ガス１から分離した水３を温調水３ａ及び仕切水３ｂに利用できるようにしても、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。

また、前述した実施形態においては、前記スタック１１０から排出された上記ガス１，２と水３とを分離する気水分離手段と、温調水３ａを貯留する温調水貯留手段と、仕切水３ｂを貯留する仕切水貯留手段との３つを兼ねた貯水槽を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、上記気水分離手段と仕切水貯留手段との２つだけを兼ねた貯水槽を適用することにより、上記ガス１，２から分離した水３を仕切水３ｂのみに利用できるようにすることや、温調水貯留手段と仕切水貯留手段との２つだけを兼ねた貯水槽を適用することにより、温調水３ａと仕切水３ｂとの兼用だけをできるようにすることも可能である。しかしながら、前述した実施形態のように、気水分離手段と温調水貯留手段と仕切水貯留手段との３つを兼ねた貯水槽を適用するようにすれば、システム全体の容積増加の抑制をより図ることができ、設置スペースの広大化をより抑えることができるので、非常に好ましい。

また、前述した実施形態においては、水３中の金属イオンを前記金属イオン除去器１５２で除去するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１０の材質等の各種条件によっては、上記金属イオン除去器１５２を省略することも可能である。

また、前述した実施形態においては、単一のスタック１１１に酸素ガス１及び水素ガス２を循環ブロア１２５で循環流通させることにより、発電反応に供与せずに残存した上記ガス１，２を当該スタック１１１から排出することで、発電反応に伴って生じた水をスタック１１１の内部から排出するようにしたクローズ系の固体高分子形燃料電池発電システム１００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、前記特許文献１，２等に記載されているような、複数のサブスタックをループ状に接続してスタックを構成し、当該スタックに供給する上記ガスの流通方向最下流側に位置するサブスタックを順次切り替えていくことにより、上記ガスの流通方向最下流側に位置するサブスタックで発電反応に供与することなく排出される当該ガスを無くしながらも、発電反応に伴って生じた水をサブスタックの内部から排出できるようにして、循環ブロアや加湿器等を不要にしたクローズ系の固体高分子形燃料電池発電システムであっても、前述した実施形態の場合と同様にして適用することが可能である。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、クローズ系で長期間にわたって発電運転を行っても、スタックの燃料ガス流通部内や酸化ガス流通部内への前記雰囲気中の不活性ガス成分の蓄積を防止することができ、当該ガス流通部内を流通する水素ガスや酸素ガスの濃度低下を抑制して、発電性能の低下を抑制することができるので、各種産業において極めて有益に利用することができる。

１ 酸素ガス
２ 水素ガス
３ 水
３ａ 温調水
３ｂ 仕切水
１００ 固体高分子形燃料電池発電システム
１１０ スタック
１１１ セパレータ
１１２ａ 燃料ガス流通路
１１２ｂ 燃料ガス供給マニホールド
１１２ｃ 燃料ガス回収マニホールド
１１３ａ 酸化ガス流通路
１１３ｂ 酸化ガス供給マニホールド
１１３ｃ 酸化ガス回収マニホールド
１１４ａ 温調水流通路
１１４ｂ 温調水供給マニホールド
１１４ｃ 温調水回収マニホールド
１１５ａ 仕切水路
１１５ｂ 仕切水供給路
１１５ｃ 仕切水回収路
１１６，１１７ シール材
１２１ 酸素ガスボンベ
１２２ バルブ
１２３ 加湿器
１２４ ドレンポット
１２５ 循環ブロア
１２６ バルブ
１３１ 水素ガスボンベ
１３２ バルブ
１３３ 加湿器
１３５ 循環ブロア
１３６ バルブ
１４１ 貯水槽
１４１ａ 一方の室
１４１ｂ 他方の室
１４２ 仕切板
１４２ａ 連通部
１４３ 温調器
１４４，１４５ 安全弁
１５１ 循環ポンプ
１５２ 金属イオン除去器
２１１ セパレータ
２１５ａ 仕切水路
２１５ｂ 仕切水供給路
２１５ｃ 仕切水回収路
２１７ シール材

Claims (5)

1. 燃料極及び酸化極で固体高分子電解質を挟んだセルと、燃料ガス流通部及び酸化ガス流通部を形成されると共に温調水流通部を形成されたセパレータとを交互に複数積層したスタックと、
   前記スタックの前記セパレータの前記燃料ガス流通部へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記スタックの前記セパレータの前記酸化ガス流通部へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
   前記スタックの前記セパレータの前記燃料ガス流通部から送出された前記燃料ガスから水を分離する気水分離手段を有すると共に、当該水を分離された当該燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料ガス供給手段に供給する燃料ガス循環利用手段と、
   前記スタックの前記セパレータの前記酸化ガス流通部から送出された前記酸化ガスから水を分離する気水分離手段を有すると共に、当該水を分離された当該酸化ガスの少なくとも一部を前記酸化ガス供給手段に供給する酸化ガス循環利用手段と、
   温調水を貯留する温調水貯留手段と、上記温調水貯留手段の上記温調水を前記スタックの前記セパレータの前記温調水流通部に送給する温調水送給手段と、上記温調水流通部を流通した上記温調水を上記温調水貯留手段に回収する温調水回収手段とを有する温調水循環流通手段と
   を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記スタックの前記セパレータが、当該スタックの周辺雰囲気と前記ガス流通部との間を仕切るように内部に仕切水を流通させる仕切水路を有し、
   前記スタックの前記セパレータの前記仕切水路に流通させる前記仕切水を貯留する仕切水貯留手段と、上記仕切水貯留手段の上記仕切水を上記仕切水路に送給する仕切水送給手段と、上記仕切水路を流通した上記仕切水を上記仕切水貯留手段に回収する仕切水回収手段とを有する仕切水循環流通手段を備え、
   前記仕切水循環流通手段の前記仕切水貯留手段が、前記燃料ガス循環利用手段又は前記酸化ガス循環利用手段の前記気水分離手段、前記温調水循環流通手段の前記温調水貯留手段、の少なくとも一方と兼用されて、
   前記燃料ガス循環利用手段又は前記酸化ガス循環利用手段の前記気水分離手段で分離された前記水及び前記温調水の少なくとも一方を前記仕切水に利用する
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
2. 請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記仕切水循環流通手段の前記仕切水貯留手段が、
   前記燃料ガス循環利用手段及び前記酸化ガス循環利用手段の一方の前記気水分離手段と兼用されているとき、
   前記水を内部に貯留する貯水槽と、
   前記貯水槽の内部を水平方向で２室に仕切るように当該貯水槽の内部に上下方向に沿って配設されて当該貯水槽の内部の仕切られた一方の室と他方の室とを当該貯水槽の内部の下方側で連通させる連通部を有する仕切板と
   を備え、
   前記仕切水循環流通手段の前記仕切水回収手段及び前記温調水循環流通手段の前記温調水回収手段が、上記仕切水貯留手段の上記貯水槽の上記一方の室に連絡し、
   上記仕切水貯留手段の上記貯水槽の上記他方の室が、前記燃料ガス循環利用手段及び前記酸化ガス循環利用手段の一方の前記気水分離手段をなしている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
3. 請求項２に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記仕切水貯留手段の前記貯水槽の前記一方の室の内部の気圧を規定値以下に保持するように当該一方の室の内部のガスを系外へ排出するリーク手段を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
4. 請求項３に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記仕切水貯留手段の前記貯水槽の前記一方の室の内部の気圧と前記他方の室の内部の気圧との差を規定値以下に保持するように当該他方の室の内部のガスを当該一方の室の内部へ送給可能にする均圧手段を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記仕切水循環流通手段が、前記水中の金属イオンを除去する金属イオン除去手段を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。

Images