JP3411747B2

JP3411747B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP3411747B2
Application number: JP06598796A
Authority: JP
Inventors: 俊宏谷; 長生久留
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 2003-06-03
Anticipated expiration: 2016-03-22
Also published as: JPH09259912A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池（以下、単に燃料電池という）のガスリサイクル、
すなわち、燃料電池本体に余剰に供給された水素、およ
び酸素からなる反応ガスが、燃料電池の発電に使用され
ず、燃料電池本体から未反応ガスとして、それぞれ排出
される水素および酸素を、それぞれの供給ラインに戻
し、再使用するために適用されるガス循環ポンプを備え
た燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、純粋な水素や、純粋な酸素を反
応ガスとして用いて、燃料電池を運転する場合、燃料電
池本体内に、それぞれ個別に供給された反応ガスは、全
て燃料電池本体内の電気化学反応に用いられ、発電に使
用されて、１００％のガス利用率が期待できる。

【０００３】しかしながら、燃料電池の発電能力に見合
った量だけの反応ガスを燃料電池に供給するのではな
く、燃料電池の発電能力以上の十分な反応ガスをそれぞ
れ供給し、燃料電池本体内で電気化学反応が行われなか
った余剰分の水素、および酸素、いわゆる未反応ガスを
燃料電池本体からそれぞれ排出させ、供給ラインに戻
し、再使用するようにした、運転を行うようにした方が
燃料電池の性能としては、高効率のものとなる。

【０００４】そのため、燃料電池本体内に供給される反
応ガスを無駄なく利用し、かつ燃料電池性能を引き出す
方法として、燃料電池本体内には供給されたものの、燃
料電池本体内の電気化学反応には使用されず、燃料電池
本体から排出される未反応ガスを、再び燃料電池本体内
へ反応ガスとして供給するようにした、反応ガスの再循
環法が採用されている。この反応ガス再循環法の採用の
ため、燃料電池出力規模が小さいもの、例えば５ｋＷ程
度までの燃料電池では、未反応ガスの再循環を行うガス
循環ポンプに、ダイヤフラム型ポンプを用いるようにし
たものがある。

【０００５】このダイヤフラム型ポンプは、凹部を形成
した作動筐の開口部を被包して、張設されたダイヤフラ
ムに、凹部へ向けて出入する動き（振動）を発生させ、
凹部内に圧力変動を生じさせて、この圧力変動の低圧時
に、燃料電池本体の排気口に連通した吸入側配管から、
未反応ガスを凹部内に吸引するとともに、圧力変動の高
圧時に、連通した吐出側配管から、凹部内に流入した未
反応ガスを供給管へ吐出させ、反応ガスとして燃料電池
本体内へ供給するようにしたものである。このような、
ダイヤフラム型ポンプは、その機構上、小容量でも効率
が極端に悪くならず、粘性の低い水素でも安定した作動
が期待でき、また、気密性も比較的簡単に高く出来ると
いう特性を持っている。

【０００６】しかしながら、このようなダイヤフラム型
ポンプを、前述した反応ガスの再循環を行うガス再循環
ポンプに採用した場合、燃料電池の出力規模を大きくす
るため、燃料電池本体内を加圧状態で運転しようとする
と、作動筐の凹部内に圧力変動を発生させるダイヤフラ
ムの圧力差が、許容値以上になり、寿命が著しく短くな
るという不具合がある。

【０００７】すなわち、ダイヤフラム型ポンプは、吐出
時は、ダイヤフラムの内側が加圧状態になり、吸引時に
は、真空状態になるとともに、ダイヤフラムの外側は大
気圧が負荷されるので、内外差圧が生じるものの、通常
運転においては、ダイヤフラムの内側と外側の差圧が、
許容差圧内で作動するように設計されてあり、このよう
な許容差圧内で作動する限り、３０００〜４０００時間
の寿命が保持できるが、未反応ガスの再循環を行うガス
再循環ポンプとして、加圧状態で運転される燃料電池に
使用する場合、ダイヤフラムの外側は大気圧が負荷され
ているのに対して、凹部に面する内側は、燃料電池の加
圧状態での運転に伴う、大気圧以上の圧力が負荷される
加圧状態となり、ダイヤフラムに作用する圧力差は大き
くなり、許容差圧を越え、短時間の作動でダイヤフラム
の破損に到り、寿命が著しく短くなるという欠点があ
る。

【０００８】このような、ダイヤフラムの破損時には、
ダイヤフラムを交換して復旧するようにしているが、そ
の交換時には、燃料電池の運転停止、又は運転効率の低
下を引き起す不具合があるとともに、反応ガスの外部漏
洩、特に水素の大気への漏洩が生じ、爆発の危険性が生
じるという不具合がある。また、圧力差が大きくなって
も、ダイヤフラムが破損しないように、許容差圧を大き
くすることも考えられるが、その場合、ダイヤフラムの
剛性が高くなり、ダイヤフラムを振動させるために必要
となる動力が大きくなり、通常、燃料電池で発電される
電力で、ダイヤフラムを振動させている駆動装置への供
給電力が多くなり、燃料電池の性能が劣化するという不
具合が生じる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ガス循環ポ
ンプにダイヤフラムを使用した、ダイヤフラム型ポンプ
を採用した燃料電池を、加圧状態で運転しようとすると
きに生じる、上述した不具合を解消するため、燃料電池
の加圧状態に応じて、ダイヤフラムの外側に負荷される
圧力を変えることができ、ダイヤフラムの内側と外側に
生じる圧力差を小さくして、ダイヤフラムが常に許容差
圧内での運転になるようにして、燃料電池の性能を劣化
させることなく、安全で、長時間運転できるようにし
た、ガス循環ポンプを備えた燃料電池の提供を課題とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、第１番目の本
発明の燃料電池は、次の手段とした。

【００１１】（１）燃料電池本体の排気口から個別に排
出される、未反応の水素および酸素である未反応ガスの
それぞれを、ガス供給装置から燃料電池本体内に、反応
ガスとしての水素および酸素を、それぞれ供給する供給
管に戻すために設けるリサイクル配管の途中に介装され
るガス循環ポンプを、次のものからなるダイヤフラム型
ポンプとした。

【００１２】（ａ）気密に形成された内部の圧力を変え
るため、調圧用の調圧ガスを容器内に導入、若しくは排
出するためのガス供給口が設けられた容器。なお、容器
内の圧力を調圧するため内部に導入する調圧ガスは、窒
素ガス等の調圧専用のガスを使用することも、燃料電池
本体に供給される反応ガス、又は燃料電池本体から排出
される未反応ガスを使用することもできる。

【００１３】（ｂ）燃料電池本体の排気口に一端側が連
通する吸入側配管、および供給管に一端側が連通する吐
出側配管、それぞれの他端側が内部に形成された凹部に
連通するとともに、ダイヤフラムを張設するため凹部の
１側に開口が設けられて、容器内に設置された作動筐。
なお、作動筐の外形形状は、容器の内部に設置されるこ
とから、作動筐が設置される場所の容器の内部形状と同
形にされ、収容効率の良好にする形状にすることが好ま
しい。また、吸入側配管に導入された未反応ガスを、内
部に一時的に保留できるとともに、ダイヤフラムの振動
により、未反応ガスに圧力変動を発生できる内部容積を
もつ、凹部にすることが好ましい。

【００１４】（ｃ）容器内の圧力が外側に負荷されるよ
うにして、作動筐の凹部開口面に張設されて、開口を密
封するとともに、中央部を作動するコンロッド等の当接
により、作動筐の開口面に向けて、前後に振動し、作動
筐の凹部に出、入して、作動筐内の圧力を変動させて、
この圧力変動の低圧時に、吸入側配管から未反応ガスを
作動筐内に吸引し、高圧時に、作動筐内に流入した未反
応ガスを吐出側配管から供給管に吐出させるダイヤフラ
ム。

【００１５】なお、ダイヤフラムは振動時に変形して、
作動筐内の圧力を変動させることから、弾性材で形成さ
れることは勿論であるが、作動筐内に吸引される高温の
未反応ガスが内側に接触することから耐熱性に富むとと
もに、長時間の振動に耐える屈折耐久性に富み、しか
も、その加振に大きな動力を必要としない剛性の低い素
材で形成することが望ましい。

【００１６】（ｄ）容器の内部に設置され、容器の側壁
に設けられた気密性の電流端子等から、容器の内部に導
入された動力で、ダイヤフラムの中央部に作用するコン
ロッド等を駆動し、ダイヤフラムを作動筐の開口面に向
けて、前後に振動させる駆動装置。動力としては、燃料
電池で発電される電力が好ましいが、他の油圧等の動力
でも良い。また、高温の未反応ガスが出入する作動筐に
近接して設けられ、若しくは、容器内に調圧ガスとして
未反応ガスが使用される場合は、特に、冷却装置を設け
ることが好ましい。

【００１７】（イ）本発明のガス循環ポンプを備えた燃
料電池では、ガス循環ポンプを上述した（１）の構成の
ダイヤフラム型ポンプにしたので、加圧出来るようにし
た容器内の圧力が、ダイヤフラムの外側にかかり、ダイ
ヤフラムの内側に吸引される未反応ガスの圧力、すなわ
ち燃料電池本体内の加圧で昇圧する圧力と、ほぼ同じ圧
力になることにより、ダイヤフラムの内外にかかる差圧
が軽減され、燃料電池の発電容量増大に伴い、燃料電池
を加圧状態で運転しようとするときに、ダイヤフラム型
ポンプで課題とされていた、ダイヤフラムの耐久性が解
決され、ダイヤフラム型ポンプは、長時間運転できるよ
うになる。

【００１８】これにより、その機構上、小容量でも効率
が極端に悪くならず、粘性の低い水素でも安定した作動
が期待でき、また気密性も比較的簡単に高く出来るとい
う、秀れた特性を持つ、ダイヤフラム型ポンプをガス循
環ポンプとして使用できるようになる。

【００１９】また、ダイヤフラムを振動させるモーター
等の駆動装置を含め、全てがタイヤフラム型ポンプを構
成する容器に収容されてしまい、容器の内部から外部へ
突き抜けるものは、ガス供給口、吸入側配管、吐出側配
管からなる配管類と、気密性を保持して設置された電流
端子等から外部の動力源に連結される動力ラインだけ
で、容器内部から外部に突き抜けて作動するものがない
ため、容器の気密性が簡単にとれるようになる。

【００２０】

【００２１】また、容器内に導入する調圧ガスは、窒素
ガス等の専用の調圧ガスのほかに、供給管からの反応ガ
ス、又は排気口からの未反応ガスを使用できるようにな
るとともに、万一のダイヤフラム破裂時においても、ダ
イヤフラムの内側に出入する未反応ガスが、外部に漏洩
することがなくなり、安全が確保できる。

【００２２】さらに、ダイヤフラムの剛性を高めること
なく、長時間の運転ができるようになるので、燃料電池
の運転効率を高め、性能を向上させることができる。

【００２３】

【００２４】しかも同第１番目の本発明の燃料電池は、
上述の（ａ）〜（ｄ）に加え、（ｅ）燃料電池本体内か
ら未反応の水素、および酸素である未反応ガスを、個別
にそれぞれ排出する排出口と、ガス供給装置から燃料電
池本体内に反応ガスとしての水素および酸素を、それぞ
れ供給する供給管との間を連結する、リサイクル配管内
の圧力を検出する圧力計測装置と、前記容器内の圧力を
検出する圧力検出装置を設けた。このように圧力計測装
置は、リサイクル配管に介装されるダイヤフラム型ポン
プと排気口との間に配設されてリサイクル配管内の圧力
を検出できるようにするほかに、容器にも設けて、容器
内の圧力を検出できるようにしているので、ダイヤフラ
ムの内側に負荷される未反応ガスの圧力と、外側に負荷
される容器内の圧力を略同一にして、ダイヤフラムの差
圧ができるだけ、小さくなるようにすることができる。

【００２５】（ｆ）更に上記圧力計測装置からのリサイ
クル配管内の圧力に対応する信号、及び容器内の圧力に
対応する信号に基づき、ガス供給口から調圧ガスを容器
内に導入、若しくは容器内から排出して、容器内の圧力
を、この圧力が外側に負荷されるダイヤフラムが、常に
許容差圧内の圧力になるようにする圧力調整装置を設け
た。なお、調圧ガスは、前述（ａ）の如く、調圧専用の
窒素ガス等でも、反応ガス若しくは未反応ガスでも良
い。

【００２６】本発明の燃料電池用ガス循環ポンプシステ
ムは、上記のように（ａ）〜（ｄ）に加えて（ｅ）、
（ｆ）の構成を有しているので、上述（イ）に加えて、（ロ）燃料電池をより良い運転条件にするため、燃料電
池本体内の圧力を任意に変化させても、その圧力変化に
追従して、容器内の調圧ガスの圧力が変化するため、ダ
イヤフラムにかかる差圧は小さく抑えられる。これによ
り、ダイヤフラムの耐久性がさらに向上し、ダイヤフラ
ム型ポンプの運転時間を、さらに向上させることができ
る。また、燃料電池の運転停止時に、容器内の圧力を常
圧に戻す操作や、起動時に容器の圧力を徐々に上げる操
作などが可能となる。

【００２７】また、本出願の第２番目の発明である燃料
電池は、上述（１）の手段の一部を変更して、次の手段
とした。

【００２８】（２）すなわち上述（１）における各圧力
計測装置に代えて、容器に設けられ、容器内の圧力を変
動させるガス供給口を、ガス供給装置から燃料電池本体
内に、反応ガスとしての水素および酸素を、それぞれ供
給する供給管に連通させて、容器内の圧力を、供給管を
流れる反応ガスの圧力と略同一にするガス供給管を設け
た。

【００２９】本発明のガス循環ポンプを備えた燃料電池
は、上述（２）の手段により、（ハ）燃料電池本体内に反応ガスを供給する供給管か
ら、容器のそれぞれに、燃料電池本体内に供給される水
素および酸素が送られ、容器内の圧力は、供給管内の反
応ガスの圧力と略同一圧力になる。一方、供給管内の圧
力は、燃料電池本体内の圧力と略同一圧力になっている
ことから、特別な装置を必要とせず、容器内の圧力は、
燃料電池本体内の圧力と略同一圧力になる。また、排気
口から排出される未反応ガスの圧力は、燃料電池本体内
の圧力に、略対応して変動するため、容器内の圧力は、
未反応ガスの圧力に対応して変動することとなる。

【００３０】これにより、ダイヤフラムの内側、および
外側は、許容差圧内に保持され、ダイヤフラムの耐久性
が向上し、ダイヤフラム型ポンプの運転時間を、さらに
向上させることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池の実
施の一形態を、基本形態を説明する参考例を含めて図面
にもとづき説明する。図１は本発明の燃料電池の参考例
を示すブロック図、図２は、図１に示す水素ガス用ダイ
ヤフラム型ポンプ、および酸素ガス用ダイヤフラム型ポ
ンプとして使用されるダイヤフラム型ポンプの一例とし
て示す水素ガス用ダイヤフラム型ポンプの断面図であ
る。

【００３２】図１に示す参考例における燃料電池は、水
素ガス供給装置１Ａより供給管２Ａを通って、反応ガス
としての純粋水素が加湿装置３Ａを経由して、燃料電池
本体４内に供給されるとともに、酸素ガス供給装置１Ｂ
より供給管２Ｂを通って、反応ガスとしての純粋酸素が
加湿装置３Ｂを経由して、燃料電池本体４内に供給さ
れ、燃料電池本体４内に、それぞれ供給された反応ガス
の電気化学反応によって発電を行い、負荷５を作動させ
る。

【００３３】燃料電池本体４内に供給される、反応ガス
としての純粋水素、および純粋酸素は、燃料電池本体４
内の発電に使用される量より多く供給され、余剰に供給
された反応ガスのうちの一部は、燃料本体４内で電気化
学反応が行われず、未反応ガスとして燃料電池本体４の
排気口６Ａ、６Ｂからそれぞれ排出される。

【００３４】燃料電池本体４の排気口６Ａと供給管２Ａ
との間には、水素リサイクル配管７Ａ、７Ａ′が配設さ
れ、このうち、一端が燃料電池本体４の排気口６Ａと連
結した水素リサイクル配管７Ａの他端には、燃料電池本
体４から排出される未反応ガスとしての水素を、再循環
させる水素用ダイヤフラム型ポンプ８Ａの、後述する吸
入側配管１４が連結されている。また、一端が供給管２
Ａと連結した水素リサイクル配管７Ａ′の他端には、水
素用ダイヤフラム型ポンプ８Ａの、後述する吐出側配管
１５が連結されている。

【００３５】また、燃料電池本体４の排気口６Ｂと供給
管２Ｂとの間には、酸素リサイクル配管７Ｂ、７Ｂ′が
配設され、このうち、一端が燃料電池本体４の排気口６
Ｂと連結した酸素リサイクル配管７Ｂの他端には、燃料
電池本体４から排出される未反応ガスとしての酸素を、
再循環させる酸素用ダイヤフラム型ポンプ８Ｂの吸入側
配管が連結され、一端が供給管２Ｂと連結した酸素リサ
イクル配管７Ｂ′の他端には、酸素用ダイヤフラム型ポ
ンプ８Ｂの吐出側配管が連結されている。

【００３６】また、水素用ダイヤフラム型ポンプ８Ａお
よび酸素用ダイヤフラム型ポンプ８Ｂに、それぞれ設け
た、後述する容器１１のガス供給口１２には、窒素ガス
供給装置９の調圧バルブ９Ａ、９Ｂのそれぞれ介装した
調圧ガス管１０Ａ、１０Ｂで連結されている。

【００３７】以上、燃料電池本体４内に純粋水素および
純粋酸素が供給されて発電を行い、燃料電池本体４から
排出される余剰の純粋水素、および純粋酸素を再循環さ
せ、再使用するようにした燃料電池用ガス循環ポンプシ
ステムについて示したが、燃料電池には、純粋酸素の代
りに空気を燃料電池本体４に送り込み、空気中の酸素と
供給された純粋水素とで発電を行うようにしたものもあ
る。このような、空気を送り込むようにした燃料電池で
は、燃料電池本体４から排出される余剰空気を回収する
ようなことはせず、単に余剰空気の熱エネルギーを回収
するのみで、大気へ放出するようにしているので、上述
した酸素リサイクル配管７Ｂ、７Ｂ′酸素用ダイヤフラ
ム型ポンプ８Ｂを設けないのが通常である。

【００３８】次に、水素ガス用ダイヤフラム型ポンプ、
および酸素ガス用ダイヤフラム型ポンプとして使用され
るダイヤフラム型ポンプを、説明の都合上、前述したよ
うに、水素ガス用ダイヤフラム型ポンプを例にして、説
明することとする。

【００３９】図２において、１１は容器で、前述した調
圧ガス管１０Ａに調圧バルブ９Ａを介して連通する、ガ
ス供給口１２が上蓋２３を貫通して設けられている。ま
た、上蓋２３には、水素リサイクル配管７Ａと連通さ
れ、後述する作動筐１３内に、燃料電池本体４からの未
反応の水素を導入する吸入側配管１４、および一端が配
管７Ａ′に連通され、作動筐１３内に導入された未反応
の水素を、供給管２Ａに排出する吐出側配管１５が、そ
れぞれシール装置１８を介装して、挿通されている。さ
らに、容器１１の、側壁には、後述する駆動装置として
のモータ１６に、電力を供給する電流端子１７が気密状
態で設けられている。

【００４０】このように、容器１１には外部に突出する
ガス供給口１２、吸入側配管１４、吐出側配管１５、お
よび電流端子１７が設けられているが、ガス供給口１２
を除き、何れも気密状態で取付けられており、また、ガ
ス供給口１２も、ガス供給口１２に連通する調圧ガス管
１０Ａに介装した調圧バルブを閉鎖されることにより、
容器１１内は完全に密閉状態に保持される。

【００４１】１３は、外形形状が容器１１内部の形状と
略同じ形状にされ、容器１１内に固定された作動筐で、
内部に凹部１９が形成されるとともに、この凹部１９に
は、シール装置１８を介装し、気密状態にして容器１１
の上蓋２３に挿通された吸入側配管１４、および吐出側
配管１５の他端が、それぞれ開口している。吸入側配管
１４には、凹部１９内の圧力が水素リサイクル配管７Ａ
の内部圧力より低くなったときに開き、高くなったとき
に閉鎖する逆止バルブ２０が、また吐出側配管１５に
は、凹部１９内の圧力が水素リサイクル配管７Ａ′の内
部圧力より高くなったときに開き、低くなったときに閉
鎖する逆止バルブ２１が、それぞれ設けられている。さ
らに、作動筐１３の凹部１９の開口面には、ダイヤフラ
ム２２が張設され、凹部１９を密閉している。

【００４２】１６は、作動筐１３の下方に設置された駆
動装置としてのモータ１６で、前述した電流端子１７か
ら供給する動力で作動する。モータ１６に設けた回転板
２４の偏心した位置には、ロッド２５の一端が枢着され
るとともに、回転板２４の回転によってロッド２５の他
端を上下動させるようにしている。また、上下動するロ
ッド２５の他端には、ダイヤフラム２２の中央部に固着
された振動体２６が枢着されており、モータ１６の回転
により、ダイヤフラム２２は、作動筐１３の開口面で凹
部１９内に向けて振動し、凹部１９内の圧力を変動させ
る。

【００４３】本参考例のダイヤフラム型ポンプは、上述
のように構成されているので、調圧ガス管１０Ａに設け
た調圧バルブ９Ａを調整することにより、窒素ガス供給
装置９から、調圧ガスとして窒素ガスを容器１１内に導
入して、容器１１内の圧力を水素リサイクル配管７Ａ内
の圧力と略同一にすることにより、モータ１６の回動に
よって、作動筐１３凹部１９に向って上下に振動する、
ダイヤフラム２２の凹部１９に対面する内側と、容器１
１の圧力が付勢される外側との圧力差を小さくでき、ダ
イヤフラム２２を設計値である差圧許容値内の差圧にし
て振動させることができる。

【００４４】これにより、凹部１９内の圧力変動を発生
させるダイヤフラム２２には、無理な変位が発生せず、
長時間の振動に耐えるものにすることができる。また、
差圧が小さくなることから、ダイヤフラム２２は剛性の
小さい素材で形成することができ、その振動発生に必要
とするモータ１６の動力も小さいものとすることができ
る。

【００４５】また、容器１１内は、容器１１内の圧力を
水素リサイクル配管７Ａ内の圧力と略同一にした、調圧
ガスバルブ９Ａの閉鎖により、密閉状態にすることがで
きるため、１度のセットにより、ダイヤフラム２２の差
圧を許容値内にして、長時間運転できるとともに、作動
筐１３に導入される未反応ガスが、ダイヤフラム２２の
万一の破損により外部へ漏洩するのを防止できる。

【００４６】次に、図３はガス循環ポンプを備えた本発
明の燃料電池の実施の第１形態を示すブロック図、図４
は図３に示す水素ガス用ダイヤフラム型ポンプ８Ａ′を
示す断面図である。なお、上述した参考例と同様に、図
３に示す酸素用ダイヤフラム型ポンプ８Ｂ′は、水素ガ
ス用ダイヤフラム型ポンプ８Ａ′と同一の構造をしてい
る。

【００４７】上述の参考例と異なる主な点は、図３に示
すように、燃料電池本体４の排気口６Ａから、水素用ダ
イヤフラム型８Ａ′へ未反応の水素を排出する水素リサ
イクル配管７Ａ、および排出口６Ｂから酸素用ダイヤフ
ラム型ポンプ８Ｂ′へ未反応の酸素を排出する水素リサ
イクル配管７Ｂの、それぞれには、内部の圧力を計測す
る圧力計測装置２７Ａ、２７Ｂが設置されていることで
ある。また、水素用ダイヤフラム型ポンプ８Ａ′、およ
び酸素用ダイヤフラム型ポンプ８Ｂ′をそれぞれ構成す
る容器１１にも、圧力計測装置２８Ａ、２８Ｂが設けら
れ、容器１１内部の圧力を計測するようにしていること
である。

【００４８】さらに、窒素ガス供給装置９から、水素用
ダイヤフラム型ポンプ８Ａ′および酸素用ダイヤフラム
型ポンプ８Ｂ′の容器１１内に、調圧ガスとしての窒素
ガスを供給する調圧ガス管１０Ａ、１０Ｂには、上述の
参考例において設置された調圧バルブ９Ａ、９Ｂに代え
て、自動調圧バルブ２９Ａ、２９Ｂが設けられている。
また、容器１１のそれぞれには、内部に導入された窒素
ガスを排出するための自動調圧バルブ３１Ａ、３１Ｂを
介装した、排出管３０Ａ、３０Ｂが設けられている。

【００４９】本実施の形態の燃料電池用循環ポンプシス
テムは、上述のように構成されているので、リサイクル
配管７Ａ、７Ｂ内の圧力を計測した、圧力計測装置２７
Ａ、２７Ｂからのそれぞれの制御信号と、容器１１内の
圧力計測した圧力計測装置２８Ａ、２８Ｂからのそれぞ
れ制御信号により、自動調圧バルブ２９Ａ、２９Ｂ、お
よび自動圧力バルブ３１Ａ、３１Ｂが開閉され、容器１
１内の圧力は、それぞれ水素リサイクル配管７Ａおよび
酸素リサイクル配管７Ｂ内の圧力と略同一にされる。

【００５０】すなわち、圧力計測装置２７Ａ、２７Ｂの
それぞれで計測されたリサイクル配管７Ａ、７Ｂ内の圧
力が、圧力計測装置２８Ａ、２８Ｂでそれぞれ計測され
た容器１１内の圧力より高い場合は、自動調圧バルブ３
１Ａ、３１Ｂを閉鎖するとともに、自動調圧バルブ２９
Ａ、２９Ｂを開放して、窒素ガスを容器１１内に導入し
て、圧力１１内の圧力を高めるとともに、逆の圧力状態
のときは、自動調圧バルブ２９Ａ、２９Ｂを閉鎖して、
自動調圧バルブ３１Ａ、３１Ｂを開放して、容器１１内
の窒素ガスを外部へ放出して、容器１１内の圧力を低く
する。

【００５１】これにより、図４に示すように、水素リサ
イクル配管７Ａから、吸入側配管１４を介して凹部１９
内に導入され、ダイヤフラム２２内側に負荷される未反
応ガス（水素）の圧力と、ダイヤフラム２２の外側に負
荷される調圧ガス管１０Ａから自動調圧バルブ２９Ａ、
ガス供給口１２を介して容器１１内に導入された窒素ガ
スの圧力は、ほぼバランスして、ダイヤフラム２３の
内、外の差圧は、許容値内になる。すなわち、本実施の
形態の場合、燃料電池の運転状態によって、ダイヤフラ
ム２２の内側に導入される未反応ガスの圧力が、大幅に
変動するようなことがあっても、ダイヤフラム２２の外
側の圧力、すなわち、容器１１内の圧力を、未反応ガス
の圧力に対応して変動させることにより、ダイヤフラム
２２の差圧は、許容値内にすることができる。

【００５２】次に、図５はガス循環ポンプを備えた本発
明の燃料電池の実施の第２形態を示すブロック図であ
る。本実施の形態では、水素用ダイヤフラム型ポンプ８
Ａ″、および酸素用ダイヤフラム型ポンプ８Ｂ″のそれ
ぞれを構成する、容器１１に設けられたガス供給口１２
と、供給管２Ａ、２Ｂのそれぞれとの間は、ガス配管３
２Ａ、３２Ｂで連通させている。

【００５３】本実施の形態の燃料電池用ガス循環ポンプ
は、このように構成されているので、容器１１の内部に
は水素ガス供給装置１Ａ、および酸素ガス供給装置１Ｂ
から燃料電池本体４内に供給される、水素又は酸素の未
反応ガスが矢視Ａで示すように、それぞれガス配管３２
Ａ、３２Ｂで供給され、又は、矢視Ｂで示すように排出
される。

【００５４】このように、ガス配管３２Ａ、３２Ｂによ
り、容器１１内の圧力は、燃料電池の運転状態で変動す
る、供給管２Ａ、２Ｂの反応ガスの圧力と略等しく保た
れ、例えば、燃料電池の起動時、反応ガスを供給し始め
ると、燃料電池本体４内への反応ガスの供給と同時に、
容器１１内へと矢視Ａで示すように反応ガスが供給さ
れ、２つの圧力は、同時に上昇を始め、略同じ圧力にな
る。また、停止時には、反応ガスの供給が停止される一
方で、燃料電池本体４内でのガス消費が続き圧力の低下
が起こる。このとき、容器内に残された反応ガスは矢視
Ｂで示すように、ガス配管３２Ａ、３２Ｂを通って燃料
電池本体４内に供給される。これにより、容器１１内の
圧力も燃料電池本体４内圧と同じく低下することとな
る。

【００５５】このように、容器１１内の圧力は、燃料電
池の運転状態で変る、燃料電池本体４の内圧の変動によ
って変る、燃料電池本体４から排出される未反応ガスの
圧力と同様に、変えることができ、ダイヤフラム２２の
内外圧を、ダイヤフラムに許容される許容差圧内にする
ことができる。

【００５６】以上、ガス循環ポンプを備えた燃料電池の
実施の形態について説明したが、燃料電池の運転温度が
高い場合には、燃料電池本体から排出される未反応ガス
も温度が高く、したがってダイヤフラム型ポンプも温度
が高くなる。従って、このような場合には、ポンプ冷却
用の冷却水を容器１１内に導入して、ダイヤフラム型ポ
ンプの冷却を行う冷却装置を設けるようにすることもで
きる。また、前述したように純粋酸素の代りに、空気を
使用するようにした燃料電池では、酸素リサイクル配管
７Ｂ，７Ｂ′、酸素用ダイヤフラムポンプ８Ｂを設けな
いのが通常であり、このような場合は勿論のこと、電気
化学反応を行わせる一方のガスの未反応ガスのみを、再
循環させるようにすることもできるものである。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、ガス循環ポンプを
備えた本発明の燃料電池は、特許請求の範囲に示す構成
により、発電容量の増大により燃料電池系内の圧力が大
きくなっても、ダイヤフラムの内、外にかかる差圧を小
さくすることができ、ダイヤルフラム型ポンプの特性を
生かしたシステムを、ガス循環ポンプシステムとして採
用することが出来る。

【００５８】

【００５９】また、燃料電池の系内圧を変化させても、
その圧力変化に追従して、容器内の圧力が変化させら
れ、ダイヤフラムにかかる差圧は小さく抑えることがで
き、運転停止時に、圧力を常圧に戻す操作や、起動時に
圧力を徐々に上げることなどが可能となった。また、特
別な装置を必要とせず、ガス配管で結ぶことにより、容
器内の圧力を燃料電池系内圧に保つことができ、ダイヤ
フラムにかかる差圧は小さく抑えることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガス循環ポンプを備えた本発明の燃料電池の参
考例を示すブロック図、

【図２】図１に示す水素ガス用ダイヤフラム型ポンプを
示す断面図、

【図３】本発明の実施の第１形態を示すブロック図、

【図４】図３に示す水素ガス用ダイヤフラム型ポンプを
示す断面図、

【図５】本発明の実施の第２形態を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

１Ａ水素ガス供給装置１Ｂ酸素ガス供給装置２Ａ、２Ｂ供給管３Ａ、３Ｂ加湿装置４燃料電池本体５負荷６Ａ、６Ｂ排気口７Ａ、７Ａ′ 水素リサイクル配管７Ｂ、７Ｂ′ 酸素リサイクル配管８Ａ、８Ａ′、８Ａ″ 水素用ダイヤフラム型ポンプ８Ｂ、８Ｂ′、８Ｂ″ 酸素用ダイヤフラム型ポンプ９窒素ガス供給装置９Ａ、９Ｂ調圧バルブ１０Ａ、１０Ｂ調圧ガス管１１容器１２ガス供給口１３作動筐１４吸入側配管１５吐出側配管１６モータ１７電流端子１８シール装置１９凹部２０、２１逆止バルブ２２ダイヤフラム２３上蓋２４回転板２５ロッド２６振動体２７Ａ、２７Ｂ（リサイクル配管）圧力計測装
置２８Ａ、２８Ｂ（容器）圧力計測装置２９Ａ、２９Ｂ自動調圧バルブ３０Ａ、３０Ｂ排出管３１Ａ、３１Ｂ自動調圧バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04,8/10 F04B 43/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれのガス供給装置から供給管を介
して内部に供給された、水素および酸素からなる反応ガ
スの電気化学反応により発電を行う燃料電池本体、前記
供給管と前記燃料電池本体から未反応ガスを排出する排
気口とを連結するリサイクル配管、前記リサイクル配管
に介装され、前記排気口からの未反応ガスを前記供給管
に戻すガス循環ポンプ、とからなる燃料電池において、
前記ガス循環ポンプが、調圧用のガスを導入若しくは排
出するガス供給口を設け、内部を気密状態に保持できる
容器と、吸入側配管、および吐出側配管を内部に連通さ
せた凹部を設け、前記容器内に設置された作動筐と、前
記作動筐の凹部開口に張設され、外側に前記容器内の圧
力が負荷されるとともに、振動して前記作動筐内の圧力
を変動させ、前記吸入側配管および吐出側配管を介し
て、前記作動筐内に前記未反応ガスを吸入、若しくは排
出させるダイヤフラムと、気密性を保持して前記容器内
に導入された動力で、前記ダイヤフラム振動させる駆動
装置と、前記リサイクル配管内の圧力を検出する圧力計
測装置と、前記容器内の圧力を検出する圧力計測装置
と、前記それぞれの圧力計測装置からの信号により、前
記ガス供給口から調圧ガスを注入、若しくは排出して、
前記容器内を調圧する圧力調整装置とで構成されたダイ
ヤフラム型ポンプであることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記それぞれの圧力計測装置及びこれの
信号で作動する圧力調整装置に代えて、前記容器に設け
られた前記ガス供給口と前記供給管とを連通し、前記容
器内の圧力を、前記供給管を流れる前記反応ガスで調圧
するガス配管を設けたことを特徴とする請求項１に記載
の燃料電池。