JP3739826B2 - Polymer electrolyte fuel cell system - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換して、発電を行うことのできる固体高分子型燃料電池から排出される残存水素、若しくは残存酸素を、循環ポンプ、若しくはコンプレッサを使用することなく、再度固体高分子型燃料電池に、循環させることのできる固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００２】
また、本発明は不純物が多く蓄積された残存水素、若しくは残存酸素をパージして、燃料電池本体に供給される燃料水素又は酸化剤酸素の水素分圧、若しくは酸素分圧を高めて、発電出力を高めることのできる固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、図６に示すように、水素ガスの電極反応で生成する水素イオンと電子のうち、水素イオンのみを通過させる特性を持つ電解質１に、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜等の高分子イオン交換膜を用い、電解質１の両側に、例えば、白金系触媒等を用い、酸化、あるいは還元反応を起させる触媒電極層２，３を、それぞれ配置し、さらに、触媒電極層２，３を担持させた多孔質のカーボン電極４，５をそれぞれ備えた電極接合体６構造を、多層積層して構成した燃料電池本体１０と、カーボン電極４，５間に設けられた外部回路７で構成するようにしたものがある。
【０００４】
この様に構成された、燃料電池本体１０のカーボン電極のアノード極４側に供給された、加湿された燃料ガス中の水素は、触媒電極層のアノード極２上で、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応を行い、水素イオン化され、水素イオンＨ＋は電解質１中を水の介在のもと、Ｈ＋ｘＨ２Ｏとして、カーボン電極のカソード極５側へ、水と共に移動する。
【０００５】
移動した水素イオンＨ＋は、触媒電極層のカソード極３上で、カソード極５側に供給された、空気等の酸化剤ガス中の酸素、及び外部回路７を流通してきた電子と反応して、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応を行い、水を生成し、その生成水は、カソード極３，５より燃料電池本体１０外へ排出されることになる。このとき、外部回路７を流通する電子流れを直流の電気エネルギーとして利用するようにしている。
【０００６】
なお、電解質１となる高分子イオン交換膜においては、前述のように水素イオンＨ＋透過性を実現させるためには、常に充分なる保水状態に保持しておく必要があり、通常、燃料ガス、および酸化剤ガスに、電池の運転温度（常温〜１００℃程度）近辺相当の飽和水蒸気を含ませ、すなわち、加湿した燃料ガス、および酸化剤ガスを燃料電池本体１０に供給し、高分子イオン交換膜１の保水状態を保つようにしている。
【０００７】
図７に、このような固体高分子型燃料電池を用いて発電を行う、従来の固体高分子型燃料電池システムの一例を示す。
このシステムにおいては、電気化学反応を起して発電を行う水素、および酸素は、それぞれ、例えばボンベのような燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からの燃料ガス、酸化剤ガスによって供給される。
【０００８】
これらの燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からの燃料ガス、および酸化剤ガスは、燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６によって、水素側締切り弁２２、および酸素側締切り弁２３を経由して水素側減圧弁１９、および酸素側減圧弁２０にそれぞれ送られ、これらの減圧弁１９，２０で調圧後、加温、加湿するために、それぞれ水素加湿装置１１、および酸素加湿装置１２にそれぞれ導入される。
燃料ガス中の水素、および酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０のアノード極２，４およびカソード極３，５へとそれぞれ導入され、前述の通り電気エネルギーを発生する。
【０００９】
また、燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った水素、または酸素、いわゆる残存水素、または残存酸素は、電気化学反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０外に排出される。
【００１０】
この燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ残存水素循環ライン２９に設置された水素気水分離器１３、残存水素循環ライン３０に設置された酸素気水分離器１４により気水分離され、水素循環ポンプ、またはコンプレッサ（以下、水素コンプレッサという）１５、水素逆止弁１７、および残存酸素循環ライン３０に設置された酸素循環ポンプ、またはコンプレッサ（以下、酸素コンプレッサという）１６、酸素逆止弁１８を介して、燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９から燃料電池本体１０へ、それぞれ通ずる燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６にそれぞれ戻され、燃料ガスおよび酸化剤ガスと混合して、燃料水素、酸化剤酸素として、燃料電池本体１０のアノード極２，４およびカソード極３，５に、それぞれ再度導入され、循環利用されるようになっている。
なお、同図において、２２は水素側締切弁、２３は酸素側締切弁、２４はインバータ制御装置２１から外部へ出力される電気出力である。
【００１１】
しかしながら、このように構成された従来の固体高分子型燃料電池システムによる発電では、次のような不具合があった。
【００１２】
（１）水素コンプレッサ１５、および酸素コンプレッサ１６は、それぞれ燃料電池本体１０で発電した電力を、インバータ制御装置２１から供給されて作動する、コンプレッサ駆動用モータ２７，２８で駆動されるようになっているため、固体高分子型燃料電池システム全体としての電気出力、いわゆる送電端出力が小さくなる。
【００１３】
（２）水素コンプレッサ１５、および酸素コンプレッサ１６は、その動力軸部からの循環させる水素ガス、および酸素ガスのリーク防止のために、この部分に高度なシール技術が必要となり、これが機器のコスト上昇を招くとともに、運用上においても、機器、あるいはシステム全体の信頼性を低下させることとなる。
【００１４】
（３）供給圧力を持つ燃料ガス、または酸化剤ガスを、それぞれ減圧弁１９，２０で、わざわざ燃料電池本体１０の必要とする供給圧力にまで減圧して、燃料電池本体１０に供給しており、燃料ガスまたは酸化剤ガスの保有する圧力は、利用・回収されてなく、エネルギ的な無駄が発生しており、システムとしての効率化が充分でない。
【００１５】
（４）また、燃料供給装置８、または酸化剤供給装置９から燃料電池本体１０へ供給される燃料ガス中、または酸化剤ガス中には、例えば、アルゴン、窒素等の不純物が微量含まれているが、これらの不純物は、燃料電池本体１０の電池反応により消費されず残存水素、または残存酸素中に残り、それぞれ燃料電池本体１０への燃料ガス供給ライン２５、酸化剤ガス供給ライン２６に戻り循環利用されるため蓄積が進んでくる。その結果、燃料電池本体１０に供給される燃料水素中、または酸化剤酸素中の不純物ガスの濃度、すなわち分圧が上昇し、水素分圧、または酸素分圧が低下するため、発電出力が低下することとなる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の固体高分子型燃料電池システムの、上述した不具合を解消し、システム全体としての電気出力、いわゆる送電端出力を向上できるとともに、システムに採用される機器コストを安く、システム全体の信頼性が向上でき、しかも効率の良い発電ができる固体高分子型燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に示す、本発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、次の手段を採用した。
【００１８】
（１）燃料電池本体から排出される残存水素または残存酸素の少くとも一方の残存ガスを、前記残存ガスと同種の供給ガスの供給装置から前記燃料電池本体へ供給する供給ラインに戻して電池反応に再使用するようにした循環ラインを設けた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記循環ラインに、前記燃料電池本体から排出される前記残存ガスを吸引して前記供給ラインに移送するエジェクターを設け、前記循環ラインが、前記供給ラインに設置された加湿器と前記燃料電池本体の間を連通した冷却水循環ラインと、前記冷却水循環ラインに前記燃料電池本体から排出される水と混合した前記残存ガスを導入する排水管と、前記冷却水循環ラインで前記加湿器へ移送された前記残存ガスを気水分離して前記供給ラインに戻す前記加湿器に付設された気水分離器からなり、前記エジェクターが、前記冷却水循環ラインを流れる冷却水で駆動され、水を含む前記残存ガスを前記排水管から冷却水循環ラインに吸引して、前記加湿器へ移送するようにした。
【００１９】
また、請求項２に示す、他の本発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、上記（１）に加え、次の手段を採用した。
（２）前記循環ラインに設けられ、前記循環ラインを流れる前記残存ガスの不純物濃度を検出する濃度計と、前記循環ラインに設けられ、前記不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越えた場合に開いて、前記残存ガスを前記循環ラインからパージするパージ弁とを備えた。
【００２０】
また、請求項３に示す、他の本発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、上記（１）に加え、次の手段を採用した。
（３）前記排水管に設けられ、前記排水管を流れる前記残存ガスの不純物濃度を検出する濃度計と、前記排水管に設けられ、前記不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越えた場合に開いて、前記残存ガスを前記排水管からパージするパージ弁とを備えた。
【００２１】
【作用】
本発明の請求項１に示す固体高分子型燃料電池システムによれば、上述（１）の手段により、以下のように作用する。
【００２２】
（１）燃料電池本体から排出された残存水素、または残存酸素を、水素コンプレッサ、または、酸素コンプレッサを用いずに、循環ラインに配置したエジェクタにより吸引し、燃料電池本体への燃料ガス供給ライン、または酸化剤ガス供給ラインにそれぞれ戻し、燃料水素、または酸化剤酸素の閉ループを形成し、それぞれを循環させることができる。これにより、水素コンプレッサ、または酸素コンプレッサが、エジェクターに置き換えられ、水素コンプレッサ、または酸素コンプレッサに必要であった、循環させる残存ガスのリーク防止のための高度なシール技術が不要となり、運用上、機器、あるいは燃料電池システム全体の信頼性が向上するとともに、機器のコストを下げることができる。
また、このためのモータが不要になるため、動力軸部からの外部への残存ガスのリークの心配もなくなり、これらの機器のコストが低減できるとともに、システムの信頼性を向上させることができる。
また、このためのモータが不要になるため、動力軸部からの外部への残存ガスのリークの心配もなくなり、これらの機器のコストが低減できるとともに、システムの信頼性を向上させることができる。
更に、循環ラインが、元々敷設されてある冷却水循環ラインの１部を共用するのでシステムがコンパクトに纏まるとともに、エジェクターが冷却水循環ラインを流される冷却水で駆動されるので、従来必要であった水素コンプレッサ、または酸素コンプレッサ、およびこれらを駆動するための駆動装置および電力等の残存ガスを移送するための駆動力が不要となるため、システム全体の出力が上がり、システム効率を高められる。
また、気水分離器を加湿器に付設して設けたことにより、燃料電池本体周辺に気体分離器を設置する必要がなく、システムがコンパクトにできるとともに、スペースに自由度が生じる。
【００２３】
また、本発明の請求項２又は３に示す固体高分子型燃料電池システムによれば、上述（１）に加え、上述（２）又は（３）の手段により、燃料電池本体に供給される残存ガスが混入した燃料ガス中、または酸化剤ガス中の不純物濃度が基準値を越え、発電出力が低下した場合、パージ弁を開き、残存ガスを燃料ガス供給ライン、または酸化剤ガス供給ラインに戻す循環ラインまたは排水管内を、それぞれ燃料電池本体から排出された残存水素、残存酸素でパージする。その結果、燃料電池システムの運転に伴い、燃料水素、または酸化剤酸素に蓄積された不純物がパージされ、燃料電池本体に供給される燃料水素の水素分圧、または酸化剤酸素の酸素分圧が回復し、発電出力が回復効率の良い発電ができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例を図面にもとづき説明する。
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池システムの第一実施例を示すブロック図、図２は、本発明に関連して検討した第一検討例を示すブロック図、図３は、本発明に関連して検討した第二検討例を示すブロック図、図４は、第二実施例を示すブロック図、図５は、本発明に関連して検討した第三検討例を示すブロック図である。
なお、これらの図において、図７において示した符番と同一符番のものは、図７の説明で説明したものと類似、若しくは同一のものであり、詳細説明は省略する。
【００２５】
図１において、燃料ガス、および酸化剤ガスからなる供給ガスは、燃料供給装置８、および酸化剤供給装置９からなる供給装置よりそれぞれ締切弁２２，２３を経由して、減圧弁１９，２０に燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６からなる、供給ラインを通じて供給され、減圧弁１９，２０で一部調圧後、それぞれ加温、加湿するために、供給ライン２５，２６にそれぞれ設けられた気水分離器を兼ねた、水素加湿器３１、および酸素加湿器３２からなる加湿器それぞれに導入される。
【００２６】
燃料ガス中の水素、または酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０へと導入され、前述の通り、電気エネルギーを発生させ、インバータ制御装置２１へ発生した電力を出力し、インバータ制御装置２１で周波数等が整えられ、電気出力２４として、外部の回路へ出力される。また、燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った残存水素、または残存酸素は、電池反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０から残存水素排水管３３、および残存酸素排水管３４からなる排水管にそれぞれ排出される。
【００２７】
一方、燃料電池本体１０内での発電を効率良く行うために、燃料電池本体１０内の温度を制御する冷却水は、燃料ガス供給ライン２５、および酸化剤ガス供給ライン２６にそれぞれ設置された、気水分離器を兼ねた加湿器３１，３２から、加湿器３１，３２と燃料電池本体１０との間に、それぞれ連通して設けられた水素側冷却水循環ライン３７、および酸素側冷却水循環ライン３８からなる、冷却水循環ラインにそれぞれ設置された、冷却水循環ポンプ３５，３６を介して燃料電池本体１０に導かれ、燃料電池本体１０を冷却し、燃料電池本体１０外にそれぞれ排出される。
排出された冷却水は、気水分離器を兼ねた加湿器３１，３２にそれぞれに戻され、冷却水の閉ループを形成し、循環利用される。
【００２８】
前述した生成水、および加湿水とともに、燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ、排水管３３，３４を通って、冷却水循環ライン３７，３８にそれぞれ配置された水素側エジェクター３９、および酸素側エジェクター４０からなるエジェクターにより、冷却水循環ライン３７，３８に、それぞれに吸引され、それぞれ燃料電池本体１０への燃料ガス供給ライン２５、酸化剤ガス供給ライン２６に、それぞれ設けられた気水分離器を兼ねた加湿器３１，３２に戻され、気水分離され、供給ライン２５，２６で燃料電池本体１０へ供給される燃料ガスまたは酸化剤ガス中に戻され、燃料電池本体１０の燃料水素、酸化剤酸素として循環利用され、燃料水素、または酸化剤酸素の閉ループを形成する。
【００２９】
このように、本実施例においては、燃料電池本体１０から排出される残存水素、および残存酸素を、燃料ガス供給ライン２５および酸化剤ガス供給ライン２６に、それぞれ戻すための循環ラインが、この種の燃料電池システムにおいて、元々設けられている冷却水循環ライン３７，３８の一部を兼用するとともに、冷却水循環ライン３７，３８を流れる冷却水で駆動される、エジェクター３９，４０で燃料電池本体１０から、供給ライン２５，２６に戻すようにしたので、配管が少くでき、燃料電池システムをコンパクトに纏めることができるとともに、残存ガスのリークの問題が解消でき、機器、若しくはシステム全体を信頼性の高いものにできる。
さらに、動力を必要としないことにより、出力効率の向上をはかることができる。
【００３０】
次に、図２により本発明の固体高分子型燃料電池システムに関連して検討した第一検討例を説明する。
図に示すように、本検討例においては、燃料ガス、又は酸化剤ガスは、それぞれ、例えばボンベのような圧力を持った燃料供給装置８、酸化剤供給装置９より供給され、減圧弁１９，２０で一部調圧後、それぞれ水素エジェクター４１、酸素エジェクター４２に導入される。
ここで、最終的に燃料電池本体１０に供給するのに必要な所定圧力にまで減圧膨張させ、この圧力膨張によって、燃料電池本体より循環ライン２９，３０を流れてくる残存水素、または残存酸素を吸引する吸引力が、それぞれのエジェクター４１，４２内に発生する。
燃料電池本体１０に供給するための所定圧力になった燃料ガス、又は酸化剤ガスは、それぞれ加温、加湿するために水素加湿装置１１、または酸素加湿装置１２に導入される。燃料ガス中の水素、または酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０へと導入される。
【００３１】
また、燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った残存水素、または残存酸素は、電池反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体外に排出される。
燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ水素気水分離器１３、または酸素気水分離器１４により気水分離され、逆止弁１７，１８を通り、燃料電池本体１０から前記した水素エジェクター４１、および酸素エジェクター４２のそれぞれの吸引口に連結された、残存水素循環ライン２９および残存酸素循環ライン３０を通って、水素エジェクター４１、または酸素エジェクター４２のそれぞれに吸引導入される。
【００３２】
水素エジェクター４１、または酸素エジェクター４２に吸引導入された残存水素、または残存酸素は、それぞれ供給ライン２５，２６によって燃料電池本体１０に供給される燃料ガス、または酸化剤ガスと混合し、水素供給ライン２５、酸素供給ライン２６のそれぞれへ戻され、再び燃料電池本体１０の燃料水素、酸化剤酸素として循環利用されるようになっている。
【００３３】
本検討例において、残存ガスを循環させる水素エジェクター４１、および酸素エジェクターは、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれが持った圧力を利用して駆動されるので、第一実施例のものに比較して、残存ガスの循環に要する動力が、さらに低減できる出力効率の向上をはかることができる。
また、本検討例においても、第一実施例と同様に残存ガスのリークの問題が解消できて、機器コストを安くでき、しかもシステム全体の信頼性を向上できる。
【００３４】
次に、図３により本発明の固体高分子型燃料電池システムに関連して検討した第二検討例を説明する。
図に示すように、本検討例においては、燃料ガス、または酸化剤ガスは、それぞれ燃料供給装置８、酸化剤供給装置９より供給され、減圧弁１９，２０で調圧後、それぞれ加温、加湿するために、水素加湿器１１、または酸素加湿器１２に導入される。燃料ガス中の水素、または酸化剤ガス中の酸素は、ここで所定の温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０へと導入される。
【００３５】
燃料電池本体１０内で発電に利用されず残った残存水素、または残存酸素は、電池反応に伴って生成された水分、及び加湿水分とともに、燃料電池本体１０外に排出される。
燃料電池本体１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それぞれ水素気水分離器１３、酸素気水分離器１４により気水分離され、水素コンプレッサ１５、水素逆止弁１７、酸素コンプレッサ１６、酸素逆止弁１８を介して、燃料電池本体１０へ通ずる水素供給ライン２５、酸素供給ライン２６にそれぞれ戻され、循環利用される。
【００３６】
また、燃料電池本体１０から排出される残存水素、または残存酸素を、供給ライン２５，２６のそれぞれに戻す循環ライン２９，３０のそれぞれには、パージ弁４３，４４が設けられており、燃料ガスと混合する残存水素、または酸化剤ガスと混合する残存酸素の循環ライン内での不純物濃度を濃度計４５，４６でそれぞれ検知して、不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越え、発電出力が低下してきた場合は、パージ弁を開き、循環ライン２９，３０内を、それぞれ燃料電池本体１０から排出された残存水素、残存酸素でパージする。
その結果、燃料電池システムの運転に伴い、燃料水素、または酸化剤酸素の循環ループ内に蓄積された不純物がパージされ、燃料電池本体１０に供給される燃料水素、および酸化剤酸素の水素分圧および酸素分圧を上げて、発電出力を増加させる。
【００３７】
次に、図４により本発明の固体高分子型燃料電池システムの第二実施例を説明する。
図に示すように、本実施例は図１に示す第一実施例に、図３に示す第二検討例のパージ弁４３，４４を設置したものである。
【００３８】
すなわち、燃料電池本体１０から排水管３３，３４で生成水、加湿水とともに排出される残存ガスを、冷却水循環ライン３７，３８に、それぞれ設けた水素側エジェクター３９、および酸素側エジェクター４０で吸引して、気水分離器付加湿器３１，３２へ冷却水と共に移送するようにしたものにおいて、残存水素排水管３３、および残存酸素排水管３４のそれぞれに、濃度計４５，４６、および濃度計４５，４６のそれぞれの信号で作動するパージ弁４３，４４を設置した。
本実施例によれば、第一実施例と第二検討例の作用効果が同時に得られる。
【００３９】
次に、図５により本発明の固体高分子型燃料電池システムに関連して検討した第三検討例を説明する。図に示すように、本検討例は図２に示す第一検討例に、図３に示す第二検討例のパージ弁４３，４４を設置したものである。
【００４０】
すなわち、燃料電池本体１０から循環ライン２９，３０で生成水，加湿水とともに排出され、気水分離器１３，１４で気水分離された残存ガスを、供給ライン２５，２６にそれぞれ設けた水素エジェクター４１、および酸素エジェクター４２で吸引して、供給ライン２５，２６に移送するようにしたものにおいて、残存水素循環ライン２９、および残存酸素循環ライン３０のそれぞれに、濃度計４５，４６、および濃度計４５，４６のそれぞれの信号で作動するパージ４３，４４を設置した。
本検討例によれば、第一検討例と第二検討例の作用効果が同時に得られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体高分子型燃料電池によれば、特許請求の範囲に示す構成により、次の効果が得られる。
【００４２】
（１）電気エネルギーを発生させるときに燃料電池本体から排出される残存ガスを、燃料電池本体へ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するそれぞれの供給ラインへ移送する時に生じる、残存ガスリーク防止のための高度なシール技術が不要となり、運用上、機器、あるいはシステム全体の信頼性が向上するとともに、機器のコストを下げることができる。
また、残存ガスを移送する機器の駆動電力が不要となるため、システム全体の出力が上がり、システム効率を高められる。
【００４３】
（２）供給圧力を持った燃料ガス、または酸化剤ガスの圧力を回収して有効利用しており、エネルギー的に無駄がなく、システム効率を上げることができ、効率よい固体高分子型燃料電池システムを構成することができる。
【００４４】
（３）燃料電池システムの運転に伴い、燃料水素、または酸化剤酸素の循環ループ内に蓄積された不純物がパージされ、水素分圧、または酸素分圧が回復し、発電出力が回復し、発電効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の固体高分子型燃料電池システムの第一実施例を示すブロック図、
【図２】 本発明に関連して検討した第一検討例を示すブロック図、
【図３】 本発明に関連して検討した第二検討例を示すブロック図、
【図４】 本発明の第二実施例を示すブロック図、
【図５】 本発明に関連して検討した第三検討例を示すブロック図、
【図６】 固体高分子型燃料電池の発電原理及び構造模型図、
【図７】 従来の固体高分子型燃料電池システムの一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 電解質
２ 触媒電極層（アノード極）
３ 触媒電極層（カソード極）
４ カーボン電極（アノード極）
５ カーボン電極（カソード極）
６ 電極接合体
７ 外部回路
８ 燃料供給装置
９ 酸化剤供給装置
１０ 燃料電池本体
１１ 水素加湿装置
１２ 酸素加湿装置
１３ 水素気水分離器
１４ 酸素気水分離器
１５ 水素コンプレッサ
１６ 酸素コンプレッサ
１７ 水素逆止弁
１８ 酸素逆止弁
１９ 水素側減圧弁
２０ 酸素側減圧弁
２１ インバータ制御装置
２２ 水素側締切弁
２３ 酸素側締切弁
２４ 電気出力
２５ 燃料ガス供給ライン
２６ 酸化剤ガス供給ライン
２７ 水素コンプレッサ駆動用モータ
２８ 酸素コンプレッサ駆動用モータ
２９ 残存水素循環ライン
３０ 残存酸素循環ライン
３１ 水素加湿器（気水分離器付）
３２ 酸素加湿器（気水分離器付）
３３ 残存水素排水管
３４ 残存酸素排水管
３５ 冷却水循環ポンプ（水素側）
３６ 冷却水循環ポンプ（酸素側）
３７ 水素側冷却水循環ライン
３８ 酸素側冷却水循環ライン
３９ 水素側エジェクター
４０ 酸素側エジェクター
４１ 水素エジェクター
４２ 酸素エジェクター
４３ パージ弁（水素側）
４４ パージ弁（酸素側）
４５ 濃度計（水素側）
４６ 濃度計（酸素側)[0001]
[Industrial application fields]
  The present invention uses a circulation pump or a compressor for residual hydrogen or residual oxygen discharged from a polymer electrolyte fuel cell capable of generating electric power by directly converting chemical energy of fuel into electric energy. The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell system that can be circulated again to the polymer electrolyte fuel cell without performing the above.
[0002]
  Further, the present invention purges residual hydrogen or residual oxygen in which a large amount of impurities are accumulated, and increases the hydrogen partial pressure or oxygen partial pressure of fuel hydrogen or oxidant oxygen supplied to the fuel cell body to generate power output. The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell system capable of increasing the fuel efficiency.
[0003]
[Prior art]
  As shown in FIG. 6, the polymer electrolyte fuel cell has, for example, a sulfonic acid group in the electrolyte 1 having a characteristic of allowing only hydrogen ions to pass among hydrogen ions and electrons generated by an electrode reaction of hydrogen gas. A polymer ion exchange membrane such as a fluororesin ion exchange membrane is used, and catalyst electrode layers 2 and 3 that cause oxidation or reduction reaction are disposed on both sides of the electrolyte 1 using, for example, a platinum catalyst. Furthermore, the electrode assembly 6 structure having porous carbon electrodes 4 and 5 each supporting the catalyst electrode layers 2 and 3 is laminated between the fuel cell body 10 and the carbon electrodes 4 and 5. There are some which are configured by an external circuit 7 provided in the circuit.
[0004]
  The hydrogen in the humidified fuel gas supplied to the anode electrode 4 side of the carbon electrode of the fuel cell main body 10 configured in this way becomes H on the anode electrode 2 of the catalyst electrode layer.2→ 2H++ 2e−The hydrogen ion is converted into hydrogen ion H+Is H in the electrolyte 1 with water intervening.+xH2O moves to the cathode electrode 5 side of the carbon electrode together with water.
[0005]
  Moved hydrogen ion H+Reacts with oxygen in an oxidant gas such as air supplied to the cathode electrode 5 side on the cathode electrode 3 side of the catalyst electrode layer and electrons that have circulated through the external circuit 7, resulting in 1 / 2O.2+ 2H++ 2e−→ H2A reaction of O is performed to generate water, and the generated water is discharged from the cathode electrodes 3 and 5 to the outside of the fuel cell main body 10. At this time, the electron flow flowing through the external circuit 7 is used as direct current electric energy.
[0006]
  In the polymer ion exchange membrane that becomes the electrolyte 1, as described above, the hydrogen ions H+In order to achieve permeability, it is necessary to always maintain a sufficient water retention state. Usually, saturated water vapor equivalent to the operating temperature of a battery (about room temperature to about 100 ° C.) is used as a fuel gas and an oxidant gas. That is, a humidified fuel gas and an oxidant gas are supplied to the fuel cell main body 10 so that the water retention state of the polymer ion exchange membrane 1 is maintained.
[0007]
  FIG. 7 shows an example of a conventional polymer electrolyte fuel cell system that generates electric power using such a polymer electrolyte fuel cell.
In this system, hydrogen and oxygen that generate an electric power by causing an electrochemical reaction are supplied by a fuel gas and an oxidant gas from a fuel supply device 8 such as a cylinder and an oxidant supply device 9, respectively. The
[0008]
  The fuel gas and the oxidant gas from the fuel supply device 8 and the oxidant supply device 9 are supplied to the hydrogen side cutoff valve 22 and the oxygen side cutoff valve by the fuel gas supply line 25 and the oxidant gas supply line 26. 23, the hydrogen-side pressure reducing valve 19 and the oxygen-side pressure reducing valve 20 are sent to the hydrogen-side pressure reducing valve 19 and the oxygen-side pressure reducing valve 20, respectively. Each is introduced into the humidifier 12.
The hydrogen in the fuel gas and the oxygen in the oxidant gas are adjusted to a predetermined temperature and a humidified state here, and introduced into the anode electrodes 2 and 4 and the cathode electrodes 3 and 5 of the fuel cell main body 10, respectively. Electric energy is generated as follows.
[0009]
  Further, hydrogen or oxygen that is not used for power generation in the fuel cell main body 10, so-called residual hydrogen or residual oxygen, together with moisture generated by the electrochemical reaction and humidified moisture, is outside the fuel cell main body 10. To be discharged.
[0010]
  The residual hydrogen or residual oxygen discharged out of the fuel cell main body 10 is separated into a hydrogen gas / water separator 13 installed in the residual hydrogen circulation line 29 and an oxygen gas / water separator 14 installed in the residual hydrogen circulation line 30, respectively. The oxygen circulation pump or compressor (hereinafter referred to as oxygen compressor) installed in the hydrogen circulation pump or compressor (hereinafter referred to as hydrogen compressor) 15, the hydrogen check valve 17 and the residual oxygen circulation line 30. 16, the fuel gas supply line 25 and the oxidant gas supply line 26 are respectively returned to the fuel cell main body 10 from the fuel supply device 8 and the oxidant supply device 9 via the oxygen check valve 18 and returned to the fuel cell. The anodes 2 and 4 of the fuel cell body 10 are mixed with a gas and an oxidant gas to form fuel hydrogen and oxidant oxygen. To the cathode 3, 5 and is introduced again respectively, and is recycled.
In the figure, 22 is a hydrogen-side cutoff valve, 23 is an oxygen-side cutoff valve, and 24 is an electrical output output from the inverter control device 21 to the outside.
[0011]
  However, power generation by the conventional polymer electrolyte fuel cell system configured as described above has the following problems.
[0012]
  (1) The hydrogen compressor 15 and the oxygen compressor 16 are respectively driven by compressor drive motors 27 and 28 that are operated by being supplied with electric power generated by the fuel cell main body 10 from the inverter control device 21. Therefore, the electric output as the whole polymer electrolyte fuel cell system, that is, the so-called power transmission end output becomes small.
[0013]
  (2) The hydrogen compressor 15 and the oxygen compressor 16 require advanced sealing technology in this portion in order to prevent leakage of hydrogen gas and oxygen gas circulated from the power shaft portion, which increases the cost of equipment. In addition, the reliability of the device or the entire system is reduced in operation.
[0014]
  (3) The fuel gas or the oxidant gas having the supply pressure is reduced to the supply pressure required by the fuel cell main body 10 by the pressure reducing valves 19 and 20 and supplied to the fuel cell main body 10. The pressure held by the fuel gas or oxidant gas is not utilized or recovered, resulting in energy waste, and the efficiency of the system is not sufficient.
[0015]
  (4) The fuel gas supplied from the fuel supply device 8 or the oxidant supply device 9 to the fuel cell body 10 or the oxidant gas contains a small amount of impurities such as argon and nitrogen. However, these impurities are not consumed by the cell reaction of the fuel cell main body 10 and remain in the remaining hydrogen or residual oxygen, and return to the fuel gas supply line 25 and the oxidant gas supply line 26 to the fuel cell main body 10, respectively. Accumulation progresses because it is recycled. As a result, the concentration of impurity gas in the fuel hydrogen or oxidant oxygen supplied to the fuel cell body 10, that is, the partial pressure increases, and the hydrogen partial pressure or oxygen partial pressure decreases, so the power generation output decreases. Will be.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention eliminates the above-mentioned problems of the conventional polymer electrolyte fuel cell system, improves the electrical output of the entire system, so-called power transmission end output, and reduces the equipment cost employed in the system, reducing the overall system It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell system that can improve the reliability of the battery and that can generate power efficiently.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
  For this reason, in the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention shown in claim 1, the following means is adopted..
[0018]
(1) At least one residual gas of residual hydrogen or residual oxygen discharged from the fuel cell main body is returned to the supply line for supplying the fuel cell main body from a supply gas supply device of the same type as the residual gas, and is regenerated in the cell reaction. In the polymer electrolyte fuel cell system provided with a circulation line to be used, the circulation line is provided with an ejector that sucks the residual gas discharged from the fuel cell main body and transfers it to the supply line, A circulation line introduces the residual gas mixed with water discharged from the fuel cell main body into the cooling water circulation line, and a cooling water circulation line communicating between the humidifier installed in the supply line and the fuel cell main body Attached to the drain pipe and the humidifier that separates the residual gas transferred to the humidifier in the cooling water circulation line and returns the gas to the supply line. The ejector is driven by cooling water flowing through the cooling water circulation line, sucks the residual gas containing water from the drain pipe into the cooling water circulation line, and transfers it to the humidifier. I did it.
[0019]
  Claims2In the other polymer electrolyte fuel cell system of the present invention shown in FIG.1) In addition to the following measures.
(2) A concentration meter provided in the circulation line for detecting the impurity concentration of the residual gas flowing through the circulation line, and provided in the circulation line and opened when the impurity concentration exceeds a predetermined reference value. And a purge valve for purging the residual gas from the circulation line.
[0020]
  Claims3In the other polymer electrolyte fuel cell system of the present invention shown in FIG.1) In addition to the following measures.
(3) A concentration meter provided in the drain pipe for detecting the impurity concentration of the residual gas flowing through the drain pipe, and provided in the drain pipe and opened when the impurity concentration exceeds a predetermined reference value. And a purge valve for purging the residual gas from the drain pipe.
[0021]
[Action]
  According to the polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1 of the present invention, by the means of (1) above,It works as followsThe
[0022]
(1) Residual hydrogen or residual oxygen discharged from the fuel cell main body is sucked by an ejector disposed in the circulation line without using a hydrogen compressor or oxygen compressor, and a fuel gas supply line to the fuel cell main body or oxidation Each can be returned to the agent gas supply line to form a closed loop of fuel hydrogen or oxidant oxygen, which can be circulated. This replaces the hydrogen compressor or oxygen compressor with an ejector, eliminating the need for advanced sealing technology to prevent leakage of residual gas to be circulated, which was necessary for the hydrogen compressor or oxygen compressor. Alternatively, the reliability of the entire fuel cell system can be improved and the cost of the equipment can be reduced.
In addition, since a motor for this purpose is not required, there is no risk of leakage of residual gas from the power shaft portion, and the cost of these devices can be reduced and the reliability of the system can be improved.
In addition, since a motor for this purpose is not required, there is no risk of leakage of residual gas from the power shaft portion, and the cost of these devices can be reduced and the reliability of the system can be improved.
Furthermore, since the circulation line shares part of the cooling water circulation line that was originally laid, the system is compactly integrated and the ejector is driven by the cooling water that flows through the cooling water circulation line. Since the compressor or the oxygen compressor, the driving device for driving them, and the driving force for transferring the remaining gas such as electric power are not required, the output of the entire system is increased and the system efficiency is improved.
Further, since the air / water separator is attached to the humidifier, it is not necessary to install the gas separator around the fuel cell body, the system can be made compact, and the space is free.
[0023]
  Further, the claims of the present invention2Or3According to the polymer electrolyte fuel cell system shown in FIG.1) Plus the above (2Or3) If the concentration of impurities in the fuel gas mixed with the residual gas supplied to the fuel cell body or the oxidant gas exceeds the reference value and the power generation output decreases, the purge valve is opened and the residual gas is removed. The inside of the circulation line or the drain pipe returning to the fuel gas supply line or the oxidant gas supply line is purged with residual hydrogen and residual oxygen discharged from the fuel cell main body, respectively. As a result, as the fuel cell system is operated, impurities accumulated in the fuel hydrogen or oxidant oxygen are purged, and the hydrogen partial pressure of the fuel hydrogen supplied to the fuel cell body or the oxygen partial pressure of the oxidant oxygen is reduced. It recovers and the power generation output can be generated with good recovery efficiency.
[0024]
【Example】
  Hereinafter, embodiments of the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention, and FIG.Discussed in connection with the present inventionFirstA studyAn example block diagram, FIG.Discussed in connection with the present inventionFirstSecond studyAn example block diagram, FIG.twoFIG. 5 is a block diagram showing an embodiment.Discussed in connection with the present inventionFirstThree examinationsIt is a block diagram which shows an example.
In these drawings, the same reference numerals as those shown in FIG. 7 are similar to or the same as those described in the description of FIG. 7, and detailed description thereof will be omitted.
[0025]
  In FIG. 1, a supply gas composed of a fuel gas and an oxidant gas is supplied to pressure reducing valves 19 and 20 from a supply device composed of a fuel supply device 8 and an oxidant supply device 9 via cutoff valves 22 and 23, respectively. The fuel gas supply line 25 and the oxidant gas supply line 26 are supplied through the supply line. After partial pressure regulation by the pressure reducing valves 19 and 20, the supply lines 25 and 26 are respectively heated and humidified. It is introduced into each of the humidifiers composed of the hydrogen humidifier 31 and the oxygen humidifier 32 that also serve as the provided steam separator.
[0026]
  The hydrogen in the fuel gas or the oxygen in the oxidant gas is adjusted to a predetermined temperature and humidified state here, and introduced into the fuel cell main body 10 to generate electric energy as described above, and the inverter control device 21. Is output, and the inverter control device 21 adjusts the frequency and the like, and outputs it as an electrical output 24 to an external circuit. In addition, residual hydrogen or residual oxygen that is not used for power generation in the fuel cell main body 10 includes residual hydrogen drain pipes 33 from the fuel cell main body 10 together with moisture generated by the cell reaction and humidified moisture, and Each is discharged into a drain pipe composed of a residual oxygen drain pipe 34.
[0027]
  On the other hand, in order to efficiently generate power in the fuel cell body 10, cooling water for controlling the temperature in the fuel cell body 10 is installed in the fuel gas supply line 25 and the oxidant gas supply line 26, respectively. From the humidifiers 31 and 32 that also function as a steam separator, a hydrogen-side cooling water circulation line 37 and an oxygen-side cooling water circulation line 38 provided between the humidifiers 31 and 32 and the fuel cell main body 10, respectively. The fuel cell main body 10 is led through the cooling water circulation pumps 35 and 36 respectively installed in the cooling water circulation line, and the fuel cell main body 10 is cooled and discharged outside the fuel cell main body 10.
The discharged cooling water is returned to the humidifiers 31 and 32, which also serve as a steam separator, and forms a closed loop of cooling water, which is circulated and used.
[0028]
  Residual hydrogen or residual oxygen discharged out of the fuel cell main body 10 together with the generated water and humidified water described above passes through the drain pipes 33 and 34, respectively, and is disposed in the cooling water circulation lines 37 and 38, respectively. The ejector including the side ejector 39 and the oxygen side ejector 40 is sucked into the cooling water circulation lines 37 and 38, respectively, and is provided in the fuel gas supply line 25 and the oxidant gas supply line 26 to the fuel cell main body 10, respectively. Returned to the humidifiers 31 and 32 that also serve as the air / water separator, separated into air and water, and returned to the fuel gas or oxidant gas supplied to the fuel cell main body 10 through the supply lines 25 and 26, and the fuel cell It is recycled as fuel hydrogen and oxidant oxygen in the main body 10 to form a closed loop of fuel hydrogen or oxidant oxygen.
[0029]
  Thus, in the present embodiment, the circulation lines for returning the residual hydrogen and the residual oxygen discharged from the fuel cell main body 10 to the fuel gas supply line 25 and the oxidant gas supply line 26, respectively, are of this type. In the fuel cell system of FIG. 1, the fuel cell main body 10 is driven by the ejectors 39 and 40 which are also used as part of the cooling water circulation lines 37 and 38 originally provided and driven by the cooling water flowing through the cooling water circulation lines 37 and 38. Since the supply lines 25 and 26 are returned, the number of pipes can be reduced, the fuel cell system can be compactly integrated, the problem of residual gas leakage can be solved, and the device or the entire system is highly reliable. Can be a thing.
Further, since no power is required, the output efficiency can be improved.
[0030]
  Next, referring to FIG. 2, the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention is used.Examined in relation toFirstA studyAn example will be described.
As shown, the bookConsiderationIn the example, the fuel gas or the oxidant gas is supplied from the fuel supply device 8 and the oxidant supply device 9 having a pressure such as a cylinder, respectively, and after partial pressure adjustment by the pressure reducing valves 19 and 20, They are introduced into the hydrogen ejector 41 and the oxygen ejector 42, respectively.
Here, the fuel cell main body 10 is finally decompressed and expanded to a predetermined pressure required to be supplied to the fuel cell main body 10, and by this pressure expansion, residual hydrogen or residual oxygen flowing from the fuel cell main body through the circulation lines 29 and 30 is reduced. A suction force for suction is generated in each of the ejectors 41 and 42.
The fuel gas or oxidant gas at a predetermined pressure to be supplied to the fuel cell main body 10 is introduced into the hydrogen humidifier 11 or the oxygen humidifier 12 for heating and humidification, respectively. Hydrogen in the fuel gas or oxygen in the oxidant gas is adjusted to a predetermined temperature and a humidified state here, and is introduced into the fuel cell main body 10.
[0031]
  Further, residual hydrogen or residual oxygen that is not used for power generation in the fuel cell main body 10 is discharged out of the fuel cell main body together with moisture generated by the cell reaction and humidified moisture.
Residual hydrogen or residual oxygen discharged to the outside of the fuel cell main body 10 is separated into water and water by the hydrogen gas / water separator 13 or oxygen / water separator 14, respectively, and passes through the check valves 17 and 18, respectively. 10 through the residual hydrogen circulation line 29 and the residual oxygen circulation line 30 connected to the suction ports of the hydrogen ejector 41 and the oxygen ejector 42, respectively, and sucked into the hydrogen ejector 41 and the oxygen ejector 42, respectively. Is done.
[0032]
  The residual hydrogen or residual oxygen sucked and introduced into the hydrogen ejector 41 or the oxygen ejector 42 is mixed with the fuel gas or oxidant gas supplied to the fuel cell main body 10 by the supply lines 25 and 26, respectively, and the hydrogen supply line 25, and returned to each of the oxygen supply lines 26, and is reused as fuel hydrogen and oxidant oxygen in the fuel cell main body 10 again.
[0033]
  BookConsiderationIn the example, the hydrogen ejector 41 that circulates the remaining gas and the oxygen ejector are driven using the pressures of the fuel gas and the oxidant gas, respectively, so that the remaining amount of the remaining gas is less than that of the first embodiment. It is possible to improve the output efficiency, which can further reduce the power required for gas circulation.
Also bookConsiderationIn the example, as in the first embodiment, the problem of residual gas leakage can be solved and the equipment cost is reduced.CheapAnd the reliability of the entire system can be improved.
[0034]
  Next, referring to FIG. 3, the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention is used.Examined in relation toFirstSecond studyAn example will be described.
As shown, the bookConsiderationIn the example, the fuel gas or the oxidant gas is supplied from the fuel supply device 8 and the oxidant supply device 9, respectively, and after adjusting the pressure by the pressure reducing valves 19 and 20, the hydrogen humidifier is used for heating and humidifying, respectively. 11 or oxygen humidifier 12. Hydrogen in the fuel gas or oxygen in the oxidant gas is adjusted to a predetermined temperature and a humidified state here, and is introduced into the fuel cell main body 10.
[0035]
  Residual hydrogen or residual oxygen that is not used for power generation in the fuel cell main body 10 is discharged out of the fuel cell main body 10 together with moisture generated by the cell reaction and humidified moisture.
Residual hydrogen or residual oxygen discharged out of the fuel cell main body 10 is separated into water and water by a hydrogen / water separator 13 and an oxygen / water separator 14, respectively, and a hydrogen compressor 15, a hydrogen check valve 17, and an oxygen compressor 16 are separated. Then, they are returned to the hydrogen supply line 25 and the oxygen supply line 26 that lead to the fuel cell main body 10 through the oxygen check valve 18 and are recycled.
[0036]
  Further, purge valves 43 and 44 are provided in the circulation lines 29 and 30 for returning the residual hydrogen or residual oxygen discharged from the fuel cell main body 10 to the supply lines 25 and 26, respectively. The concentration of impurities in the circulation line of residual hydrogen mixed with oxygen or residual oxygen mixed with oxidant gas is detected by concentration meters 45 and 46, respectively, and the impurity concentration exceeds a predetermined reference value, and the power generation output is In the case of lowering, the purge valve is opened, and the circulation lines 29 and 30 are purged with residual hydrogen and residual oxygen discharged from the fuel cell main body 10, respectively.
As a result, with the operation of the fuel cell system, impurities accumulated in the circulation loop of fuel hydrogen or oxidant oxygen are purged, and the hydrogen partial pressure of fuel hydrogen and oxidant oxygen supplied to the fuel cell main body 10 is purged. And the oxygen partial pressure is increased to increase the power generation output.
[0037]
  Next, referring to FIG. 4, the solid polymer fuel cell system of the present invention is shown.twoExamples will be described.
As shown in the figure, this embodiment is different from the first embodiment shown in FIG.Second studyThe purge valves 43 and 44 of the example are installed.
[0038]
  That is, the hydrogen side ejector which provided the residual gas discharged | emitted with the produced water and humidified water with the drain pipes 33 and 34 from the fuel cell main body 10 in the cooling water circulation lines 37 and 38, respectively.39, And oxygen side ejector40, And transferred to the steam separator humidifiers 31 and 32 together with the cooling water, in each of the residual hydrogen drain pipe 33 and the residual oxygen drain pipe 34, the concentration meters 45, 46, and Purge valves 43 and 44 that are operated by respective signals from the densitometers 45 and 46 were installed.
According to this embodiment, the first embodiment and the first embodimentSecond studyThe effects of the example can be obtained at the same time.
[0039]
  Next, referring to FIG. 5, the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention.Examined in relation toFirstThree examinationsExplain example.As shown, the bookConsiderationAn example is shown in FIG.A studyFor example, the first shown in FIG.Second studyThe purge valves 43 and 44 of the example are installed.
[0040]
  That is, the hydrogen ejectors provided in the supply lines 25 and 26 respectively with the residual gas discharged from the fuel cell main body 10 together with the generated water and humidified water in the circulation lines 29 and 30 and separated in the steam separators 13 and 14. 41 and the oxygen ejector 42, and transferred to the supply lines 25 and 26. In the remaining hydrogen circulation line 29 and the remaining oxygen circulation line 30, respectively, the concentration meters 45 and 46 and the concentration meter Purges 43 and 44 that are operated by respective signals 45 and 46 were installed.
BookConsiderationAccording to the exampleA studyExample and numberSecond studyThe effects of the example can be obtained at the same time.
[0041]
【The invention's effect】
  As described above, according to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the following effects can be obtained by the structure shown in the claims.
[0042]
  (1) To prevent residual gas leakage that occurs when the residual gas discharged from the fuel cell main body when generating electric energy is transferred to the respective supply lines that supply the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell main body. Sophisticated sealing technology is not required, and the reliability of the device or the entire system is improved in operation, and the cost of the device can be reduced.
In addition, since the driving power of the device for transferring the residual gas is not necessary, the output of the entire system is increased and the system efficiency can be improved.
[0043]
  (2) Efficient solid polymer fuel cell that recovers and effectively uses the pressure of fuel gas or oxidant gas with supply pressure, is energy efficient and can increase system efficiency The system can be configured.
[0044]
  (3) With the operation of the fuel cell system, impurities accumulated in the fuel hydrogen or oxidant oxygen circulation loop are purged, the hydrogen partial pressure or oxygen partial pressure is restored, the power generation output is restored, and the power generation output is restored. Efficiency can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a polymer electrolyte fuel cell system of the present invention;
FIG. 2Examined in relation toFirstA studyBlock diagram showing an example,
FIG. 3Examined in relation toFirstSecond studyBlock diagram showing an example,
FIG. 4 shows the first aspect of the present invention.twoBlock diagram showing an embodiment,
FIG. 5 shows the present invention.Examined in relation toFirstThree examinationsBlock diagram showing an example,
FIG. 6 is a principle of power generation and a structural model diagram of a polymer electrolyte fuel cell;
FIG. 7 is a diagram showing an example of a conventional polymer electrolyte fuel cell system.
[Explanation of symbols]
  1 electrolyte
  2 Catalyst electrode layer (anode electrode)
  3 Catalytic electrode layer (cathode electrode)
  4 Carbon electrode (anode electrode)
  5 Carbon electrode (cathode electrode)
  6 Electrode assembly
  7 External circuit
  8 Fuel supply device
  9 Oxidant supply device
  10 Fuel cell body
  11 Hydrogen humidifier
  12 Oxygen humidifier
  13 Hydrogen-water separator
  14 Oxygen water separator
  15 Hydrogen compressor
  16 Oxygen compressor
  17 Hydrogen check valve
  18 Oxygen check valve
  19 Hydrogen pressure reducing valve
  20 Oxygen side pressure reducing valve
  21 Inverter controller
  22 Hydrogen side cutoff valve
  23 Oxygen side cutoff valve
  24 Electrical output
  25 Fuel gas supply line
  26 Oxidant gas supply line
  27 Hydrogen compressor drive motor
  28 Oxygen compressor drive motor
  29 Residual hydrogen circulation line
  30 Residual oxygen circulation line
  31 Hydrogen humidifier (with air / water separator)
  32 Oxygen humidifier (with air / water separator)
  33 Residual hydrogen drain pipe
  34 Residual oxygen drain pipe
  35 Cooling water circulation pump (hydrogen side)
  36 Cooling water circulation pump (oxygen side)
  37 Hydrogen side cooling water circulation line
  38 Oxygen side cooling water circulation line
  39 Hydrogen ejector
  40 Oxygen side ejector
  41 Hydrogen ejector
  42 Oxygen ejector
  43 Purge valve (hydrogen side)
  44 Purge valve (oxygen side)
  45 Densitometer (hydrogen side)
  46 Densitometer (oxygen side)

Claims (3)

燃料電池本体から排出される残存水素または残存酸素の少くとも一方の残存ガスを、前記残存ガスと同種の供給ガスの供給装置から前記燃料電池本体へ供給する供給ラインに戻して電池反応に再使用するようにした循環ラインを設けた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記循環ラインに、前記燃料電池本体から排出される前記残存ガスを吸引して前記供給ラインに移送するエジェクターを設け、前記循環ラインが、前記供給ラインに設置された加湿器と前記燃料電池本体の間を連通した冷却水循環ラインと、前記冷却水循環ラインに前記燃料電池本体から排出される水と混合した前記残存ガスを導入する排水管と、前記冷却水循環ラインで前記加湿器へ移送された前記残存ガスを気水分離して前記供給ラインに戻す前記加湿器に付設された気水分離器からなり、前記エジェクターが、前記冷却水循環ラインを流れる冷却水で駆動され、水を含む前記残存ガスを前記排水管から冷却水循環ラインに吸引して、前記加湿器へ移送するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。  At least one of the residual hydrogen or residual oxygen discharged from the fuel cell main body is returned to the supply line for supplying the fuel cell main body from a supply gas supply device of the same type as the residual gas and reused for the battery reaction. In the polymer electrolyte fuel cell system provided with the circulation line configured to perform, the circulation line is provided with an ejector that sucks the residual gas discharged from the fuel cell main body and transfers it to the supply line, and the circulation The line introduces the residual water mixed with the water discharged from the fuel cell body into the cooling water circulation line that communicates between the humidifier installed in the supply line and the fuel cell body, and the cooling water circulation line Attached to a drain pipe and the humidifier that separates the residual gas transferred to the humidifier in the cooling water circulation line and returns it to the supply line The ejector is driven by cooling water flowing through the cooling water circulation line, sucks the residual gas containing water from the drain pipe into the cooling water circulation line, and transfers it to the humidifier. A polymer electrolyte fuel cell system characterized in that it is configured as described above. 前記循環ラインに設けられ、前記循環ラインを流れる前記残存ガスの不純物濃度を検出する濃度計と、前記循環ラインに設けられ、前記不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越えた場合に開いて、前記残存ガスを前記循環ラインからパージするパージ弁とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。A concentration meter that is provided in the circulation line and detects an impurity concentration of the residual gas flowing through the circulation line, and is provided in the circulation line, and is opened when the impurity concentration exceeds a predetermined reference value, The solid polymer fuel cell system according to claim 1 , further comprising a purge valve that purges the residual gas from the circulation line. 前記排水管に設けられ、前記排水管を流れる前記残存ガスの不純物濃度を検出する濃度計と、前記排水管に設けられ、前記不純物濃度があらかじめ定められた基準値を越えた場合に開いて、前記残存ガスを前記排水管からパージするパージ弁とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。A concentration meter that is provided in the drain pipe and detects the impurity concentration of the residual gas flowing through the drain pipe, and is provided in the drain pipe and is opened when the impurity concentration exceeds a predetermined reference value, The solid polymer fuel cell system according to claim 1 , further comprising a purge valve that purges the residual gas from the drain pipe.
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