JP3939640B2

JP3939640B2 - Reactive gas circulation fuel cell system

Info

Publication number: JP3939640B2
Application number: JP2002372451A
Authority: JP
Inventors: 健牛尾; 義典割石
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: JP2004206948A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池を備える反応ガス循環型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と酸素極（カソード）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。そして、このような燃料電池において発電効率を高く維持するために、燃料電池から排出される反応ガス（例えば、燃料極側における水素）を新たに燃料電池へ供給される反応ガスに混合して燃料電池へ再循環させる反応ガス循環型燃料電池システムが知られている。
ところで、このような反応ガス循環型燃料電池システムでは、酸素極に供給される空気に含まれる窒素が固体高分子電解質膜を通過して燃料極まで移動することによって、燃料極の循環系内を流通する反応ガス中の窒素濃度が上昇し、相対的に水素の分圧や循環量が低下してしまうという問題が生じる。
このような問題に対して、従来、例えば燃料極の循環系内に、入力される反応ガス中の水素成分を分離し、濃縮して出力する水素分離膜を備えた燃料電池発電プラントが知られている（例えば、特許文献１参照）が知られている。
また、従来、例えば燃料極の循環系内に、入力される反応ガス中の水素成分を電気化学反応により分離して出力する水素分離器を備えた燃料電池発電装置が知られている（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３０２６０９号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３６７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術に係る燃料電池発電プラントや燃料電池発電装置において、燃料極の循環系内を流通する反応ガスは、常に水素分離膜や水素分離器を通過するように設定されていることから、通過時に生じる圧力損失が過剰に増大する場合がある。この場合、所望の水素循環量を確保するためには、例えば水素分離膜や水素分離器を大型化させる必要が生じたり、例えば循環系内にて反応ガスを循環させるための循環ポンプの出力を増大させる必要が生じ、循環ポンプの消費電力が増大したり、循環ポンプや燃料電池システムが大型化してしまうという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、反応ガスを循環させるために要する出力が増大したり、システムが大型化することを抑制しつつ、所望の反応ガスの循環量を確保することが可能な反応ガス循環型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を両側から挟み込む燃料極（例えば、実施の形態でのアノード３２）と酸素極（例えば、実施の形態でのカソード３３）を有し、反応ガスとして、水素を含む燃料が前記燃料極へ供給され、酸素を含む酸化剤が前記酸素極へ供給され、電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料極から排出される排出ガスを流通させる排出流路（例えば、実施の形態での出口側配管４３）と、前記燃料極へ供給される前記燃料を流通させる供給流路（例えば、実施の形態での入口側配管４１、燃料供給管５２）とを接続し、前記排出ガスを新たに供給される前記燃料に合流させて前記燃料電池へ再循環させる循環流路（例えば、実施の形態での燃料循環流路１５）と、前記循環流路から分岐して前記循環流路または前記供給流路に接続される分岐流路（例えば、実施の形態でのバイパス流路１７、第２の燃料循環流路５１、バイパス流路５３）と、前記分岐流路に配置され、前記分岐流路を流通する前記排出ガスから前記燃料を選択的に分離して前記分岐流路に排出可能な燃料分離器と、前記循環流路に配置され、前記排出ガスを循環させる循環ポンプと、前記分岐流路において、前記燃料分離器の上流側に配置され、前記排出ガスを前記燃料分離器へ流通させる流通ポンプ（例えば、実施の形態でのバイパス側ポンプ１８）とを備え、前記分岐流路は前記循環ポンプの上流部と下流部とを接続し、前記循環ポンプを迂回するように前記排出ガスを流通させることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、燃料電池の燃料極から排出される排出ガスが、循環流路によって燃料電池の燃料極へ再循環させられる状態において、例えば酸素極から燃料極への適宜のガス（例えば、窒素等）の透過等によって、排出ガス中の燃料の濃度が相対的に低下する虞がある場合であっても、燃料分離器において排出ガスから燃料が分離されて分岐流路へ排出されることから、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度が過剰に低下することを防止することができる。
しかも、燃料分離器は循環流路から分岐する分岐流路に配置されていることから、例えば燃料分離器における圧力損失等によって、循環流路における燃料の循環量が過剰に低下することを防止することができる。
【０００８】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、燃料分離器は循環ポンプを迂回する分岐流路に配置されていることから、循環流路における燃料の所望の循環量を確保するために要する循環ポンプの出力が過剰に増大することを防止することができる。
さらに、流通ポンプの駆動により、例えば燃料電池の発電状態や燃料電池から排出される排出ガスに含まれる燃料や燃料以外の物質の濃度等に応じて、循環流路を流通する排出ガスのうち、燃料分離器へ供給される排出ガスの流量や圧力を適宜に変更することができ、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度を適切に制御することができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を両側から挟み込む燃料極と酸素極を有し、反応ガスとして、水素を含む燃料が前記燃料極へ供給され、酸素を含む酸化剤が前記酸素極へ供給され、電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料極から排出される排出ガスを流通させる排出流路と、前記燃料極へ供給される前記燃料を流通させる供給流路とを接続し、前記排出ガスを新たに供給される前記燃料に合流させて前記燃料電池へ再循環させる循環流路と、前記循環流路から分岐して前記循環流路または前記供給流路に接続される分岐流路と、前記分岐流路に配置され、前記分岐流路を流通する前記排出ガスから前記燃料を選択的に分離して前記分岐流路に排出可能な燃料分離器と、前記循環流路に配置され、前記排出ガスを循環させる循環ポンプとを備え、前記分岐流路は前記循環ポンプの上流部と下流部とを接続し、前記循環ポンプの下流側から前記分岐流路に導入された前記排出ガスが前記燃料分離器を介して前記循環ポンプの上流側に再循環するように前記排出ガスを流通させることを特徴としている。
【００１０】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、燃料電池の燃料極から排出される排出ガスが、循環流路によって燃料電池の燃料極へ再循環させられる状態において、例えば酸素極から燃料極への適宜のガス（例えば、窒素等）の透過等によって、排出ガス中の燃料の濃度が相対的に低下する虞がある場合であっても、燃料分離器において排出ガスから燃料が分離されて分岐流路へ排出されることから、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度が過剰に低下することを防止することができる。
しかも、燃料分離器は循環流路から分岐する分岐流路に配置されていることから、例えば燃料分離器における圧力損失等によって、循環流路における燃料の循環量が過剰に低下することを防止することができる。
さらに、燃料分離器は循環ポンプを再循環する分岐流路に配置されていることから、循環ポンプの出力を有効に利用して分岐流路に排出ガスを流通させることができる。
【００１３】
さらに、請求項３に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムでは、前記分岐流路は、前記排出ガスの逆流を規制する逆止弁（例えば、実施の形態での第１および第２の逆止弁２１，２２）を備えることを特徴としている。
【００１４】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、例えば燃料電池の発電状態の変動に応じて燃料極に供給される燃料の供給圧力が変化した場合には、燃料分離器の下流側と上流側との間の圧力差を過渡的に増大させることができるため、燃料分離器において分離効率を高めることができる。
【００１５】
さらに、請求項４に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記燃料分離器に接続され、前記排出ガスから前記燃料が分離されてなる不純物を外部に排出可能な不純物排出流路（例えば、実施の形態での排出管２３ａ）を備えることを特徴としている。
【００１６】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、燃料分離器に供給された排出ガスのうち、分離された燃料以外の不純物を外部に排出することによって、例えば分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系において、不純物の濃度が過剰に増大することを防止することができる。
【００１７】
さらに、請求項５に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記不純物排出流路に配置され、前記不純物の流量を変更可能な制御弁（例えば、実施の形態での排出弁２３）を備えることを特徴としている。
【００１８】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、例えば燃料電池の発電状態や燃料電池から排出される排出ガスに含まれる燃料や燃料以外の物質の濃度等に応じて、分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系における不純物の濃度を適切に制御することができる。
【００１９】
さらに、請求項６に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記不純物排出流路に配置され、前記不純物に含まれる前記燃料を燃焼可能な燃焼器を備えることを特徴としている。
【００２０】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、不純物排出流路を流通する不純物に燃料が含まれる場合であっても、燃料が外部に排出されてしまうことを防止することができる。しかも、燃料の燃焼により発生した熱を、例えば燃料電池に対する加温等に利用することができる。
【００２１】
さらに、請求項７に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記排出ガスから前記燃料を選択的に分離する際に、前記排出ガスに含まれる前記燃料以外の物質が分離された燃料に混入する割合の逆数に係る分離率が、前記燃料分離器の前記分離率よりも小さな値である第２の燃料分離器を前記循環流路に備え、前記分岐流路は、前記第２の燃料分離器と、前記循環経路または前記供給流路とを接続し、前記第２の燃料分離器にて前記排出ガスから前記燃料が分離されてなる不純物濃縮ガスを前記燃料分離器へ供給することを特徴としている。
【００２２】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、循環流路に配置された第２の燃料分離器によって相対的に小さな分離率で燃料を分離し、さらに、分岐流路の燃料分離器によって相対的に大きな分離率で燃料を分離することによって、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度が過剰に低下することを、より一層、確実に防止することができる。しかも、第２の燃料分離器の分離率が相対的に小さな値に設定されることで、循環流路を流通する排出ガスが定常的に第２の燃料分離器を通過する際の圧力損失が増大することを抑制し、循環流路における燃料の循環量が過剰に低下することを防止することができる。
【００２３】
さらに、請求項８に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、少なくとも前記供給流路または前記排出流路の何れかに配置され、前記燃料あるいは前記燃料以外の所定物質の濃度を検出する濃度検出器（例えば、実施の形態での第１および第２の水素センサ４５，４６）と、前記濃度検出器の検出結果に応じて、前記不純物排出流路から排出される前記不純物の流量を制御する排出流量制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４）および前記燃料分離器での前記排出ガスの分離状態を制御する分離制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４が兼ねる）とを備えることを特徴としている。
【００２４】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、例えば、燃料電池の燃料極に再循環させられる排出ガスや燃料極から排出される排出ガスに含まれる燃料の濃度が所定の下限値を超えたり、燃料以外の所定物質の濃度が所定の上限値を超えるときには、排出流量制御手段により不純物排出流路から排出される不純物の流量を増大させると共に分離制御手段により、例えば燃料分離器へ供給される排出ガスの圧力を増大させることで、分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系において燃料の濃度が過剰に低下することを防止することができる。
【００２５】
さらに、請求項９に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムは、前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段（例えば、実施の形態でのセル電圧検出器４７）と、前記状態検出手段の検出結果に応じて、前記不純物排出流路から排出される前記不純物の流量を制御する排出流量制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４）および前記燃料分離器での前記排出ガスの分離状態を制御する分離制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４が兼ねる）とを備えることを特徴としている。
【００２６】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、状態検出手段は燃料電池の状態として、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルの電圧等を検出する。ここで、排出流量制御手段および供給圧力制御手段は、検出されたセルの電圧が所定の下限値を超えた場合には、分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系において燃料の濃度が過剰に低下する虞があると判断する。そして、排出流量制御手段および分離制御手段は、不純物排出流路から排出される不純物の流量を増大させると共に、例えば燃料分離器へ供給される排出ガスの圧力を増大させる。これにより、燃料の供給系において燃料の濃度が過剰に低下することを防止することができる。
【００２７】
さらに、請求項１０に記載の本発明の反応ガス循環型燃料電池システムでは、前記燃料分離器は、前記燃料を選択的に透過させる選択透過膜（例えば、実施の形態での水素選択透過膜１９ａ）、または、イオン化された前記燃料に対する導電性を有する電解質膜（例えば、実施の形態での固体電解質膜）および該電解質膜を両側から挟み込み、外部電源から通電される電極部材を具備する電気化学的ポンプ（例えば、実施の形態での電気化学的水素ポンプ）を備えることを特徴としている。
【００２８】
上記構成の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、燃料分離器は、排出ガスの供給圧力により選択透過膜の一方の面と他方の面との間に生じる圧力差に応じて排出ガスから燃料を選択的に分離したり、外部電源からの通電により一方の電極部材にて燃料をイオン化すると共に、他方の電極部材にてイオンから燃料を生成することにより排出ガスから燃料を選択的に分離する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の反応ガス循環型燃料電池システムの一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０は、例えば燃料電池車両に駆動用電源として搭載されており、図１に示すように、燃料電池１１と、エアーコンプレッサー１２と、燃料供給装置１３と、エゼクタ１４と、燃料循環流路１５と、循環ポンプ１６と、バイパス流路１７と、バイパス側ポンプ１８と、燃料分離器１９と、２つの第１および第２の逆止弁２１，２２と、排出弁２３と、制御装置（ＥＣＵ）２４とを備えて構成されている。
【００３０】
燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜（膜）３１を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）３２と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）３３とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータ３４，３５で挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
そして、電解質電極構造体と対向する各セパレータ３４，３５の表面上には凹溝が形成されており、各凹溝と電解質電極構造体とによってアノード流路およびカソード流路が形成されている。
【００３１】
燃料電池１１のアノード３２には、アノード流路に接続された入口側配管４１から水素等の燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノード３２の触媒電極上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜２１を介してカソード３３へと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路（図示略）に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード３３には、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気が、カソード流路に接続された入口側配管４２からエアーコンプレッサー１２によって供給され、このカソード３３において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、アノード流路に接続された出口側配管４３およびカソード流路に接続された出口側配管４４から未反応の反応ガスを含む排出ガスが燃料電池１１の外部に排出される。
【００３２】
燃料供給装置１３は、例えば高圧の水素タンクと、エアーコンプレッサー１２から供給される空気の圧力を信号圧として所定圧力の水素を排出する空気式の比例圧力制御弁等とを備えて構成され、この燃料供給装置１３から供給される水素は、エゼクタ１４を介して燃料電池１１のアノード３２側の入口側配管４１へと流通させられる。
エゼクタ１４は、燃料供給装置１３から供給され、内部を流通する高速の水素ガス流の近傍に発生する負圧によって、副流とされる燃料電池１１のアノード側の出口側配管４３からの排出ガスを吸い込み、この排出ガスを燃料供給装置１３から供給される水素と混合し、反応ガスとして燃料電池１１へ再度供給することで、燃料電池１１から排出される排出ガスを循環させる。すなわち、エゼクタ１４の副流導入口は燃料循環流路１５によって燃料電池１１のアノード側の出口側配管４３と接続されており、さらに、この燃料循環流路１５には排出ガスを循環させるための循環ポンプ１６が備えられている。
【００３３】
燃料循環流路１５には、循環ポンプ１６を迂回するバイパス流路１７が設けられており、このバイパス流路１７には、排出ガスの流通方向に沿って順次、第１の逆止弁２１と、バイパス側ポンプ１８と、燃料分離器１９と、第２の逆止弁２２とが備えられている。
例えば、燃料電池１１の発電状態等に応じて、バイパス側ポンプ１８が制御装置２４の制御により駆動されると、燃料循環流路１５内を流通する排出ガスの全量あるいは適宜の量が燃料分離器１９に導入され、燃料分離器１９にて分離された水素が燃料循環流路１５内に戻るようになっている。
【００３４】
燃料分離器１９は、導入された排出ガスに含まれる水素のみを選択的に分離してバイパス流路１７へ排出するものであって、例えば、水素を選択的に透過させる水素選択透過膜１９ａを両側から挟み込むようにして配置されたガス導入室１９ｂと水素分離室１９ｃとを備えて構成されている。なお、水素選択透過膜１９ａは、例えばパラジウムの薄膜や芳香族ポリイミド等の高分子膜とされている。
ここで、バイパス側ポンプ１８によって燃料循環流路１５からバイパス流路１７へ分流された排出ガスは、先ず、ガス導入室１９ｂに導入される。そして、ガス導入室１９ｂの排出ガスに含まれる水素は、バイパス側ポンプ１８により発生させられた圧力によって、水素選択透過膜１９ａを透過させられ、水素分離室１９ｃへと流通させられる。一方、水素以外の不純物（例えば、窒素等）はガス導入室１９ｂに残留させられ、バイパス側ポンプ１８により発生させられた圧力によって濃縮される。そして、水素分離室１９ｃの水素は、バイパス流路１７の第２の逆止弁２２を介して燃料循環流路１５へと流通させられる。
なお、ガス導入室１９ｂには、例えば制御装置２４により開閉制御される排出弁２３を有する排出管２３ａが設けられており、ガス導入室１９ｂに残留する水素以外の不純物を外部に排出することができるようにされている。
【００３５】
制御装置２４は、例えば、車両の運転状態に応じてエアーコンプレッサー１２の回転数に対する指令値を算出し、この指令値に応じてエアーコンプレッサー１２の動作を制御することによって、燃料電池１１の発電状態を制御する。
さらに、制御装置２４は、例えば、燃料電池１１のアノード３２に供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や燃料電池１１のアノード３２から排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や燃料電池１１の発電状態（例えば、燃料電池セルの出力電圧であるセル電圧等）に基づいて、バイパス側ポンプ１８の駆動および排出弁２３の開閉動作を制御する。
【００３６】
例えば、制御装置２４は、燃料電池１１に供給される反応ガスや燃料電池１１から排出される排出ガスの水素濃度が所定濃度以下になったときや、セル電圧が所定電圧以下になったときにバイパス側ポンプ１８を駆動し、燃料循環流路１５内の排出ガスが燃料分離器１９へ導入されるように設定する。このとき、制御装置２４は、例えば車両の運転状態等に応じて、バイパス側ポンプ１８と共に循環ポンプ１６の動作を制御することによって、燃料分離器１９へ導入する排出ガスの量を適宜に変更可能であり、燃料循環流路１５内を流通する排出ガスの全量あるいは適宜の量を燃料分離器１９へ導入可能である。
さらに、このとき、燃料分離器１９へ導入する排出ガスの量を制御することに加えて、制御装置２４は、燃料分離器１９へ導入する排出ガスの圧力を制御することで分離状態を制御する。すなわち、燃料分離器１９においては、水素選択透過膜１９ａの上流側のガス導入室１９ｂと下流側の水素分離室１９ｃとの間の差圧が大きくなることに伴い、水素選択透過膜１９ａを透過する水素の量が増大するため、制御装置２４は、例えばバイパス側ポンプ１８へ供給する駆動電流に対する電流指令値を増大させて、ガス導入室１９ｂに導入される排出ガスの圧力を増大させる。これにより、水素選択透過膜１９ａの上流側と下流側との間の差圧が増大し、水素選択透過膜１９ａを透過して燃料循環流路１５内に戻る水素の量が増大すると共に、燃料循環流路１５内に存在する水素以外の不純物の量が低減され、燃料循環流路１５内を流通する排出ガスの水素濃度が増大させられる。
【００３７】
このため、制御装置２４には、例えば、燃料電池１１のアノード３２側の入口側配管４１に設けられた第１の水素センサ４５から出力される検出信号と、燃料電池１１のアノード３２側の出口側配管４３に設けられた第２の水素センサ４６から出力される検出信号と、燃料電池１１の発電状態を検出するためのセル電圧検出器４７から出力される検出信号とが入力されている。
なお、各水素センサ４５，４６は、例えばガス接触燃焼式の水素センサや、例えば熱伝導式水素センサや、例えば超音波式ガスセンサ等とされている。
【００３８】
上述したように、本実施の形態による反応ガス循環型燃料電池システム１０によれば、燃料循環流路１５を流通する排出ガスのうち燃料分離器１９へ導入される排出ガスの量を適宜に変更可能であり、燃料電池１１の運転時において、循環ポンプ１６の出力が増大することを抑制しつつ、燃料循環流路１５を流通する排出ガスおよび反応ガス中の不純物の濃度が過剰に増大することを防止することができる。
【００３９】
なお、上述した本実施の形態においては、燃料循環流路１５の循環ポンプ１６を迂回するバイパス流路１７に燃料分離器１９を配置するとしたが、これに限定されず、例えば図２に示す本実施形態の第１変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０のように、循環ポンプ１６により排出ガスを循環させるための第２の燃料循環流路５１を、循環ポンプ１６に対して燃料循環流路１５と並列に設け、この第２の燃料循環流路５１に燃料分離器１９を配置してもよい。なお、この第２の燃料循環流路５１においては、ガスの流通方向に沿って順次、第１の逆止弁２１と、バイパス側ポンプ１８と、燃料分離器１９と、第２の逆止弁２２とが備えられている。
この場合、循環ポンプ１６から排出された排出ガスのうちの適宜の量が第２の燃料循環流路５１に分流され、燃料分離器１９に導入されるようになり、上述した本実施の形態におけるバイパス側ポンプ１８を省略することができ、反応ガス循環型燃料電池システム１０の小型化に資することができる。
【００４０】
また、上述した本実施の形態において、バイパス流路１７は燃料循環流路１５に設けられているとしたが、これに限定されず、例えば図３に示す本実施形態の第２変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０のように、循環ポンプ１６を迂回すると共に、燃料供給装置１３とエゼクタ１４とを接続する燃料供給管５２に接続されるバイパス流路５３を設け、このバイパス流路５３に燃料分離器１９を配置してもよい。
この場合、循環ポンプ１６の下流側において燃料循環流路１５からバイパス流路５３へ分流された排出ガスは、第１の逆止弁２１を介して燃料分離器１９に導入され、燃料分離器１９にて分離された水素が第２の逆止弁２２を介して燃料供給管５２に導入されるようになっている。
これにより、エゼクタ１４の負荷（例えば、副流の吸い込み量等）を増大させること無しに、燃料電池１１のアノード３２に対する水素の循環量を増大させることができる。
【００４１】
また、上述した本実施の形態においては、バイパス流路１７に燃料分離器１９を配置するとしたが、これに限定されず、例えば図４に示す本実施形態の第３変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０のように、バイパス流路１７に燃料分離器１９を配置すると共に、燃料分離器１９とは異なる水素分離率、例えば燃料分離器１９よりも小さな水素分離率を有する第２の燃料分離器５４を循環ポンプ１６の下流側の燃料循環流路１５に設けてもよい。ここで、第２の燃料分離器５４は、例えば水素を選択的に透過させる水素選択透過膜５４ａを両側から挟み込むようにして配置されたガス導入室５４ｂと水素分離室５４ｃとを備えて構成され、ガス導入室５４ｂにバイパス流路１７が接続されている。
なお、水素分離率は水素を選択的に分離する能力に係るパラメータであって、例えば排出ガスに含まれる水素以外の物質（例えば、窒素等）が、分離された水素に混入する割合の逆数等とされ、水素分離率が大きくなるほど水素選択透過膜１９ａ，５４ａを透過して水素分離室１９ｃ，５４ｃへと流通する水素以外の不純物の量が減少し、水素分離室１９ｃ，５４ｃにおける水素濃度が上昇する。一方、水素分離率が小さくなるほど水素選択透過膜１９ａ，５４ａを透過して水素分離室１９ｃ，５４ｃへと流通する水素以外の不純物の量が増大し、水素分離室１９ｃ，５４ｃにおける水素濃度が低下する。
【００４２】
すなわち、この第３変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０において、燃料循環流路１５を流通する排出ガスは、先ず、第２の燃料分離器５４に導入され、相対的に小さな水素分離率の水素選択透過膜５４ａによっていわば粗く水素が選択分離され、選択分離された水素および水素選択透過膜５４ａを透過した適宜の量の不純物が、水素分離室５４ｃから循環ポンプ１６へと流通させられる。また、第２の燃料分離器５４のガス導入室５４ｂには水素選択透過膜５４ａを透過しなかった不純物が残留することから、この不純物と共に、ガス導入室５４ｂ内の排出ガスのうちの適宜の量がバイパス側ポンプ１８によってバイパス流路１７へと分流され、第１の逆止弁２１を介して燃料分離器１９へと流通させられる。
これにより、第２の燃料分離器５４のガス導入室５４ｂにおいていわば粗く濃縮された不純物は、燃料分離器１９のガス導入室１９ｂを介して排出弁２３から外部へと排出されるため、燃料循環流路１５を流通する排出ガスが水素選択透過膜５４ａを通過する際に生じる圧力損失が過剰に増大することを抑制しつつ、燃料循環流路１５において不純物の濃度が過剰に増大することを、より一層、確実に防止することができる。
【００４３】
なお、上述した本実施形態の第３変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０においては、第２の燃料分離器５４のガス導入室５４ｂにバイパス流路１７が接続されるとしたが、これに限定されず、例えば図５に示す本実施形態の第４変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０のように、第２の燃料分離器５４の水素分離室５４ｃにバイパス流路１７が接続されてもよい。
【００４４】
また、上述した本実施の形態においては、排出弁２３によりガス導入室１９ｂ内のガスを外部に排出するとしたが、これに限定されず、例えば図６に示す本実施形態の第５変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システム１０のように、排出弁２３の下流側に燃焼器５５を備え、ガス導入室１９ｂ内のガスを燃焼器５５に導入してもよい。この燃焼器５５には、例えば制御装置２４により制御される流量調整弁５６を介して酸素を含む酸化剤ガスである空気が供給され、燃料分離器１９において分離されずにガス導入室１９ｂ内に残留し、燃焼器５５に導入された水素が燃焼させられる。
これにより、水素が外部に排出されてしまうことを防止すると共に、燃焼器５５にて発生した燃焼熱を、例えば燃料電池１１の暖機や車両の車室内の暖房等に利用することができる。
【００４５】
なお、上述した本実施の形態および第１〜第５の変形例において、燃料分離器１９は水素選択透過膜１９ａを備えるとしたが、これに限定されず、水素選択透過膜１９ａの替わりに、例えば適宜の電源からの電力供給によって水素を選択的に分離可能な電気化学的水素ポンプを備えて構成されてもよい。
また、上述した第３，第４の変形例において、第２の燃料分離器５４は、水素選択透過膜５４ａの替わりに、電気化学的水素ポンプを備えて構成されてもよい。
ここで、電気化学的水素ポンプは、例えば、プロトン導電性を有する固体電解質膜と、この固体電解質膜を両側から挟み込むガス拡散性の２つの電極部材とを備えて構成され、外部の電源から供給される電力により、一方の電極部材において水素をイオン化して固体電解質膜内を通過させ、他方の電極基材において水素イオンから水素を生成することによって、一方の電極部材に接触するガス中から水素を他方の電極部材側へと選択的に分離する。
【００４６】
この電気化学的水素ポンプにおいては、供給される通電量が大きくなることに伴い、分離される水素の量が増大するため、例えば、制御装置２４は、燃料電池１１に供給される反応ガスや燃料電池１１から排出される排出ガスの水素濃度が所定濃度以下になったときや、セル電圧が所定電圧以下になったときに、電気化学的水素ポンプへ導入する排出ガスの量を増大させると共に、電気化学的水素ポンプへ供給する通電量に対する電流指令値を増大させることで分離状態を制御する。
これにより、燃料分離器１９または第２の燃料分離器５４から燃料循環流路１５内に戻る水素の量が増大すると共に、燃料循環流路１５内に存在する水素以外の不純物の量が低減され、燃料循環流路１５内を流通する排出ガスの水素濃度が増大させられる。
【００４７】
なお、上述した本実施の形態および第１〜第５の変形例においては、燃料電池１１のアノード３２側の入口側配管４１および出口側配管４３に第１およひ第２の水素センサ４５，４６を備えるとしたが、これに限定されず、水素センサ４５，４６の替わりに、例えば窒素等の不純物の濃度を検出する不純物センサを備えてもよい。
【００４８】
なお、上述した本実施の形態および第１〜第５の変形例においては、第１および第２の逆止弁２１，２２を省略可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、循環流路における燃料の循環量が過剰に低下することを防止しつつ、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度が過剰に低下することを防止することができる。
さらに、循環流路における燃料の所望の循環量を確保するために要する循環ポンプの出力が過剰に増大することを防止することができる。
さらに、流通ポンプの駆動により、循環流路を流通する排出ガスのうち、燃料分離器へ供給される排出ガスの流量や圧力を適宜に変更することができ、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度を適切に制御することができる。
また、請求項２に記載の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、循環流路における燃料の循環量が過剰に低下することを防止しつつ、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度が過剰に低下することを防止することができる。
さらに、循環ポンプの出力を有効に利用して分岐流路に排出ガスを流通させることができる。
【００５０】
さらに、請求項３に記載の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、例えば燃料極に供給される燃料の供給圧力が変化した場合には、燃料分離器の下流側と上流側との間の圧力差を過渡的に増大させることができるため、燃料分離器において分離効率を高めることができる。
【００５１】
さらに、請求項４に記載の燃料電池システムによれば、燃料分離器に供給された排出ガスのうち、分離された燃料以外の不純物を外部に排出することによって、分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系において、不純物の濃度が過剰に増大することを防止することができる。
さらに、請求項５に記載の反応ガス循環型燃料電池システムによれば、例えば燃料電池の発電状態や燃料電池から排出される排出ガスに含まれる燃料や燃料以外の物質の濃度等に応じて、分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系における不純物の濃度を適切に制御することができる。
【００５２】
さらに、請求項６に記載の燃料電池システムによれば、不純物排出流路を流通する不純物に燃料が含まれる場合であっても、燃料が外部に排出されてしまうことを防止することができる。しかも、燃料の燃焼により発生した熱を、例えば燃料電池に対する加温等に利用することができる。
さらに、請求項７に記載の燃料電池システムによれば、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度が過剰に低下することを、より一層、確実に防止することができる。しかも、循環流路を流通する排出ガスが定常的に第２の燃料分離器を通過する際の圧力損失が増大することを抑制し、循環流路における燃料の循環量が過剰に低下することを防止することができる。
【００５３】
さらに、請求項８に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の状態に応じて、例えば分岐流路および循環流路および供給流路を備えて構成される燃料の供給系での燃料の濃度が所定濃度を超えて低下する虞があるか否かを判定することができ、燃料極へ再循環させられる排出ガス中の燃料の濃度を制御する際の制御方法の多様性を増大させることができる。
さらに、請求項９に記載の燃料電池システムによれば、選択透過膜を備えて燃料分離器を構成することにより、燃料分離器の構成に要する費用を削減することができる。また、電気化学的ポンプを備えて燃料分離器を構成することにより、燃料分離器における圧力損失の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態の第１変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【図３】本実施形態の第２変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【図４】本実施形態の第３変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【図５】本実施形態の第４変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【図６】本実施形態の第５変形例に係る反応ガス循環型燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１０反応ガス循環型燃料電池システム
１５燃料循環流路（循環流路）
１７バイパス流路（分岐流路）
１８バイパス側ポンプ（流通ポンプ）
１９ａ水素選択透過膜（選択透過膜）
２１第１の逆止弁
２２第２の逆止弁
２３排出弁（制御弁）
２３ａ排出管（不純物排出流路）
２４制御装置（排出流量制御手段、分離制御手段）
３２アノード（燃料極）
３３カソード（酸素極）
４１入口側配管（供給流路）
４３出口側配管（排出流路）
４５第１の水素センサ（濃度検出器）
４６第２の水素センサ（濃度検出器）
４７セル電圧検出器（状態検出手段）
５１第２の燃料循環流路（分岐流路）
５２燃料供給管（供給流路）
５３バイパス流路（分岐流路）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reaction gas circulation fuel cell system including a fuel cell such as a solid polymer membrane fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, a polymer electrolyte membrane fuel cell is configured by stacking a plurality of cells on a cell formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a fuel electrode (anode) and an oxygen electrode (cathode) from both sides. A stack (hereinafter referred to as a fuel cell) is supplied with hydrogen as a fuel to the fuel electrode, air is supplied as an oxidant to the oxygen electrode, and hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the fuel electrode, It passes through the solid polymer electrolyte membrane, moves to the oxygen electrode, and causes an electrochemical reaction with oxygen at the oxygen electrode to generate power. In order to maintain high power generation efficiency in such a fuel cell, the reaction gas discharged from the fuel cell (for example, hydrogen on the fuel electrode side) is mixed with the reaction gas newly supplied to the fuel cell to produce a fuel. A reaction gas circulation type fuel cell system for recirculation to a battery is known.
By the way, in such a reaction gas circulation type fuel cell system, nitrogen contained in the air supplied to the oxygen electrode moves through the solid polymer electrolyte membrane to the fuel electrode, so that the inside of the fuel electrode circulation system. A problem arises that the nitrogen concentration in the flowing reaction gas increases, and the hydrogen partial pressure and the circulation rate relatively decrease.
In order to solve this problem, conventionally, for example, a fuel cell power plant including a hydrogen separation membrane that separates, concentrates and outputs a hydrogen component in an input reaction gas in a circulation system of a fuel electrode is known. (For example, refer to Patent Document 1).
Conventionally, for example, a fuel cell power generator including a hydrogen separator that separates and outputs a hydrogen component in an input reaction gas by an electrochemical reaction in a circulation system of a fuel electrode is known (for example, Patent Document 2) is known.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-7-302609
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-23670
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the fuel cell power plant and the fuel cell power generation device according to the above-described prior art, the reaction gas flowing in the circulation system of the fuel electrode is set so as to always pass through the hydrogen separation membrane and the hydrogen separator. In some cases, the pressure loss that occurs during passage increases excessively. In this case, in order to secure a desired hydrogen circulation amount, for example, it becomes necessary to enlarge the hydrogen separation membrane or the hydrogen separator, or, for example, the output of the circulation pump for circulating the reaction gas in the circulation system. There is a need to increase the power consumption of the circulation pump, and the circulation pump and the fuel cell system are increased in size.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to secure a desired amount of reaction gas circulation while suppressing an increase in output required for circulating the reaction gas and an increase in the size of the system. An object of the present invention is to provide a reaction gas circulation type fuel cell system that can be used.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-described problems and achieve the object, the reaction gas circulation fuel cell system according to the first aspect of the present invention includes a fuel electrode (for example, in the embodiment) that sandwiches a solid polymer electrolyte membrane from both sides. The anode 32) and an oxygen electrode (for example, the cathode 33 in the embodiment), a fuel containing hydrogen as a reaction gas is supplied to the fuel electrode, and an oxidant containing oxygen is supplied to the oxygen electrode. A fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction, a discharge channel (for example, outlet side pipe 43 in the embodiment) through which exhaust gas discharged from the fuel electrode circulates, and the fuel supplied to the fuel electrode Are connected to a supply flow path (for example, the inlet side pipe 41 and the fuel supply pipe 52 in the embodiment), and the exhaust gas is joined to the newly supplied fuel and recirculated to the fuel cell. Circulating flow (For example, the fuel circulation passage 15 in the embodiment) and a branch passage branched from the circulation passage and connected to the circulation passage or the supply passage (for example, the bypass flow in the embodiment) Path 17, second fuel circulation passage 51, bypass passage 53) and the branch flow by selectively separating the fuel from the exhaust gas which is disposed in the branch passage and flows through the branch passage. A fuel separator that can be discharged to the roadA circulation pump that is arranged in the circulation channel and circulates the exhaust gas, and a circulation pump that is arranged on the upstream side of the fuel separator in the branch channel and circulates the exhaust gas to the fuel separator ( For example, the bypass side pump 18) in the embodiment andWithThe branch flow path connects an upstream portion and a downstream portion of the circulation pump, and distributes the exhaust gas so as to bypass the circulation pump.It is characterized by that.
[0006]
According to the reaction gas circulation fuel cell system configured as described above, in a state where the exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell is recirculated to the fuel electrode of the fuel cell through the circulation flow path, for example, from the oxygen electrode to the fuel electrode. Even if there is a risk that the concentration of the fuel in the exhaust gas may be relatively lowered due to permeation of an appropriate gas (for example, nitrogen) to the fuel, the fuel is separated from the exhaust gas in the fuel separator. Since it is discharged to the branch flow path, it is possible to prevent the concentration of the fuel in the exhaust gas recirculated to the fuel electrode from being excessively lowered.
In addition, since the fuel separator is disposed in the branch flow path that branches from the circulation flow path, the amount of fuel circulation in the circulation flow path is prevented from excessively decreasing due to, for example, pressure loss in the fuel separator. be able to.
[0008]
  According to the reaction gas circulation fuel cell system having the above-described configuration, the fuel separator is disposed in the branch flow path that bypasses the circulation pump, and thus is required to secure a desired circulation amount of fuel in the circulation flow path. It is possible to prevent the output of the circulation pump from increasing excessively.
  Further, by driving the flow pump, for example, according to the power generation state of the fuel cell, the concentration of the fuel or the substance other than the fuel contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell, The flow rate and pressure of the exhaust gas supplied to the fuel separator can be appropriately changed, and the concentration of the fuel in the exhaust gas recirculated to the fuel electrode can be appropriately controlled.
[0009]
  Claim 2The reactive gas circulation fuel cell system of the present invention described inIt has a fuel electrode and an oxygen electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane from both sides, and as a reaction gas, a fuel containing hydrogen is supplied to the fuel electrode, an oxidant containing oxygen is supplied to the oxygen electrode, and an electrochemical reaction A fuel cell that generates electric power by a gas, a discharge channel that distributes the exhaust gas discharged from the fuel electrode, and a supply channel that distributes the fuel supplied to the fuel electrode; A circulation flow path that joins the supplied fuel and recirculates to the fuel cell; a branch flow path that branches from the circulation flow path and is connected to the circulation flow path or the supply flow path; and the branch flow A fuel separator that is disposed in a path and can selectively separate the fuel from the exhaust gas flowing through the branch flow path and discharge the fuel to the branch flow path;A circulation pump that is disposed in the circulation channel and circulates the exhaust gas.WhenThe branch flow path connects an upstream portion and a downstream portion of the circulation pump, and the circulation pumpIntroduced into the branch channel from the downstream side ofExhaust gasThrough the fuel separator upstream of the circulating pumpThe exhaust gas is circulated so as to be recirculated.
[0010]
  According to the reaction gas circulation fuel cell system configured as described above,In the state where the exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell is recirculated to the fuel electrode of the fuel cell by the circulation channel, for example, permeation of an appropriate gas (for example, nitrogen) from the oxygen electrode to the fuel electrode, etc. Even if there is a possibility that the concentration of the fuel in the exhaust gas may be relatively lowered, the fuel is separated from the exhaust gas in the fuel separator and discharged to the branch flow path. It is possible to prevent the concentration of fuel in the exhaust gas to be circulated from excessively decreasing.
  In addition, since the fuel separator is disposed in the branch flow path that branches from the circulation flow path, the amount of fuel circulation in the circulation flow path is prevented from excessively decreasing due to, for example, pressure loss in the fuel separator. be able to.
  further,Since the fuel separator is disposed in the branch flow path that recirculates the circulation pump, the exhaust gas can be circulated through the branch flow path by effectively using the output of the circulation pump.
[0013]
  further,Claim 3In the reactive gas circulation fuel cell system according to the present invention described in 1), the branch flow path is a check valve that restricts the backflow of the exhaust gas (for example, the first and second check valves 21 in the embodiment). , 22).
[0014]
According to the reaction gas circulation fuel cell system having the above-described configuration, for example, when the supply pressure of the fuel supplied to the fuel electrode changes according to the change in the power generation state of the fuel cell, the downstream side and the upstream side of the fuel separator Since the pressure difference between the two can be increased transiently, the separation efficiency can be increased in the fuel separator.
[0015]
  further,Claim 4The reaction gas circulation fuel cell system according to the present invention described in the paragraph is connected to the fuel separator and is capable of discharging impurities formed by separating the fuel from the exhaust gas. It is characterized in that it comprises a discharge pipe 23a) in the form.
[0016]
According to the reaction gas circulation fuel cell system having the above-described configuration, for example, by branching out impurities other than the separated fuel out of the exhaust gas supplied to the fuel separator, In the fuel supply system configured to include the supply flow path, it is possible to prevent the impurity concentration from excessively increasing.
[0017]
  further,Claim 5The reaction gas circulation fuel cell system of the present invention described in (1) includes a control valve (for example, the discharge valve 23 in the embodiment) that is disposed in the impurity discharge flow path and can change the flow rate of the impurities. It is a feature.
[0018]
According to the reaction gas circulation fuel cell system having the above-described configuration, for example, depending on the power generation state of the fuel cell, the concentration of the fuel or the substance other than the fuel contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell, etc. It is possible to appropriately control the impurity concentration in the fuel supply system including the flow path and the supply flow path.
[0019]
  further,Claim 6The reactive gas circulation fuel cell system according to the present invention includes a combustor that is disposed in the impurity discharge passage and capable of combusting the fuel contained in the impurity.
[0020]
According to the reaction gas circulation type fuel cell system having the above-described configuration, it is possible to prevent the fuel from being discharged to the outside even when the impurities flowing through the impurity discharge channel contain the fuel. In addition, the heat generated by the combustion of the fuel can be used for heating the fuel cell, for example.
[0021]
  further,Claim 7In the reactive gas circulation fuel cell system according to the present invention, when the fuel is selectively separated from the exhaust gas, a ratio of substances other than the fuel contained in the exhaust gas mixed into the separated fuel The separation channel is provided with a second fuel separator whose separation rate is smaller than the separation rate of the fuel separator in the circulation channel, and the branch channel is connected to the second fuel separator. The circulation path or the supply flow path is connected, and an impurity-enriched gas obtained by separating the fuel from the exhaust gas by the second fuel separator is supplied to the fuel separator. .
[0022]
According to the reaction gas circulation fuel cell system having the above configuration, the fuel is separated at a relatively small separation rate by the second fuel separator disposed in the circulation flow path, and further, by the fuel separator in the branch flow path. By separating the fuel at a relatively large separation rate, it is possible to more reliably prevent the concentration of the fuel in the exhaust gas recirculated to the fuel electrode from being excessively lowered. In addition, since the separation rate of the second fuel separator is set to a relatively small value, the pressure loss when the exhaust gas flowing through the circulation passage steadily passes through the second fuel separator is reduced. It is possible to suppress the increase and prevent the amount of fuel circulation in the circulation flow path from being excessively reduced.
[0023]
  further,Claim 8The reaction gas circulation fuel cell system according to the present invention described in 1 is arranged at least in either the supply flow path or the discharge flow path, and detects a concentration of the fuel or a predetermined substance other than the fuel ( For example, the first and second hydrogen sensors 45 and 46) in the embodiment and the discharge flow rate for controlling the flow rate of the impurities discharged from the impurity discharge flow path according to the detection result of the concentration detector. Control means (for example, the control device 24 in the embodiment) and separation control means for controlling the separation state of the exhaust gas in the fuel separator (for example, the control device 24 in the embodiment also serves as). It is characterized by that.
[0024]
According to the reaction gas circulation fuel cell system configured as described above, for example, the concentration of the fuel contained in the exhaust gas recirculated to the fuel electrode of the fuel cell or the exhaust gas discharged from the fuel electrode exceeds a predetermined lower limit value. When the concentration of a predetermined substance other than fuel exceeds a predetermined upper limit value, the flow rate of impurities discharged from the impurity discharge flow path is increased by the discharge flow rate control means and supplied to, for example, a fuel separator by the separation control means. By increasing the pressure of the exhaust gas, it is possible to prevent the fuel concentration from excessively decreasing in the fuel supply system including the branch flow path, the circulation flow path, and the supply flow path.
[0025]
  further,Claim 9The reaction gas circulation fuel cell system according to the present invention described in 1) includes a state detection unit (for example, a cell voltage detector 47 in the embodiment) for detecting the state of the fuel cell, and a detection result of the state detection unit. Accordingly, the exhaust flow rate control means for controlling the flow rate of the impurities discharged from the impurity discharge flow path (for example, the control device 24 in the embodiment) and the separation state of the exhaust gas in the fuel separator are controlled. Separating control means (for example, the control device 24 in the embodiment also serves as).
[0026]
According to the reaction gas circulation fuel cell system having the above-described configuration, the state detection means is an electrolyte in which a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a cation exchange membrane is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode as the state of the fuel cell. The voltage of the fuel cell formed by further sandwiching the electrode structure with a pair of separators is detected. Here, the discharge flow rate control means and the supply pressure control means are configured to include a branch flow path, a circulation flow path, and a supply flow path when the detected cell voltage exceeds a predetermined lower limit value. It is determined that there is a risk that the fuel concentration in the supply system may be excessively reduced. The discharge flow rate control means and the separation control means increase the flow rate of the impurities discharged from the impurity discharge flow path and increase the pressure of the exhaust gas supplied to the fuel separator, for example. Thereby, it is possible to prevent the fuel concentration from excessively decreasing in the fuel supply system.
[0027]
  further,Claim 10In the reactive gas circulation fuel cell system of the present invention described in the above, the fuel separator is a permselective membrane that selectively permeates the fuel (for example, the hydrogen permselective membrane 19a in the embodiment) or ionization. An electrochemical pump (for example, a solid electrolyte membrane in the embodiment) and an electrode member sandwiched from both sides and energized from an external power source (for example, a solid electrolyte membrane in the embodiment) The electrochemical hydrogen pump in the embodiment is provided.
[0028]
According to the reaction gas circulation fuel cell system having the above-described configuration, the fuel separator is configured such that the fuel is discharged from the exhaust gas according to the pressure difference generated between one surface of the selective permeable membrane and the other surface due to the supply pressure of the exhaust gas. Is selectively separated from the exhaust gas by ionizing fuel at one electrode member by energization from an external power source and generating fuel from the ions at the other electrode member .
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a reaction gas circulation fuel cell system of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
A reactive gas circulation fuel cell system 10 according to the present embodiment is mounted as a driving power source in, for example, a fuel cell vehicle, and as shown in FIG. 1, a fuel cell 11, an air compressor 12, and a fuel supply device. 13, ejector 14, fuel circulation passage 15, circulation pump 16, bypass passage 17, bypass side pump 18, fuel separator 19, and two first and second check valves 21, 22, a discharge valve 23, and a control device (ECU) 24.
[0030]
The fuel cell 11 includes a solid polymer electrolyte membrane (membrane) 31 made of a cation exchange membrane, a fuel electrode (anode) 32 made of an anode catalyst and a gas diffusion layer, and an oxygen electrode made of a cathode catalyst and a gas diffusion layer ( The electrolyte electrode structure is sandwiched between the cathode (cathode) 33 and a large number of fuel cell units sandwiched between a pair of separators 34 and 35 are stacked.
A concave groove is formed on the surface of each separator 34, 35 facing the electrolyte electrode structure, and an anode channel and a cathode channel are formed by each concave groove and the electrolyte electrode structure.
[0031]
Fuel gas (reaction gas) such as hydrogen is supplied to the anode 32 of the fuel cell 11 from an inlet side pipe 41 connected to the anode flow path, and hydrogen ionized by the catalytic reaction on the catalyst electrode of the anode 32 is It moves to the cathode 33 through the solid polymer electrolyte membrane 21 that is moderately humidified, and the electrons generated by this movement are taken out to an external circuit (not shown) and used as direct current electric energy. For example, air, which is an oxidant gas (reaction gas) containing oxygen, is supplied to the cathode 33 by an air compressor 12 from an inlet-side pipe 42 connected to the cathode flow path. In the cathode 33, hydrogen ions, electrons, and Oxygen reacts to produce water. Then, exhaust gas containing unreacted reaction gas is discharged outside the fuel cell 11 from the outlet side pipe 43 connected to the anode flow path and the outlet side pipe 44 connected to the cathode flow path.
[0032]
The fuel supply device 13 includes, for example, a high-pressure hydrogen tank and a pneumatic proportional pressure control valve that discharges hydrogen at a predetermined pressure using the pressure of air supplied from the air compressor 12 as a signal pressure. Hydrogen supplied from the fuel supply device 13 is circulated to the inlet side pipe 41 on the anode 32 side of the fuel cell 11 through the ejector 14.
The ejector 14 is supplied from the fuel supply device 13 and is discharged from the outlet-side piping 43 on the anode side of the fuel cell 11 which is subflowed by the negative pressure generated in the vicinity of the high-speed hydrogen gas flow that circulates inside. The exhaust gas is mixed with hydrogen supplied from the fuel supply device 13 and supplied again to the fuel cell 11 as a reaction gas, whereby the exhaust gas discharged from the fuel cell 11 is circulated. That is, the side flow inlet of the ejector 14 is connected to the outlet side piping 43 on the anode side of the fuel cell 11 by the fuel circulation channel 15. Further, the fuel circulation channel 15 is used to circulate the exhaust gas. A circulation pump 16 is provided.
[0033]
The fuel circulation passage 15 is provided with a bypass passage 17 that bypasses the circulation pump 16, and the bypass passage 17 is connected to the first check valve 21 in order along the flow direction of the exhaust gas. The bypass pump 18, the fuel separator 19, and the second check valve 22 are provided.
For example, when the bypass pump 18 is driven by the control of the control device 24 according to the power generation state of the fuel cell 11, the total amount of exhaust gas flowing through the fuel circulation passage 15 or an appropriate amount is reduced to the fuel separator. The hydrogen introduced into the fuel separator 19 and separated by the fuel separator 19 returns to the fuel circulation passage 15.
[0034]
The fuel separator 19 selectively separates only hydrogen contained in the introduced exhaust gas and discharges it to the bypass channel 17. For example, the fuel separator 19 includes a hydrogen selective permeable membrane 19 a that selectively permeates hydrogen. A gas introduction chamber 19b and a hydrogen separation chamber 19c are arranged so as to be sandwiched from both sides. The hydrogen selective permeable membrane 19a is, for example, a polymer membrane such as a palladium thin film or an aromatic polyimide.
Here, the exhaust gas diverted from the fuel circulation passage 15 to the bypass passage 17 by the bypass pump 18 is first introduced into the gas introduction chamber 19b. The hydrogen contained in the exhaust gas from the gas introduction chamber 19b is permeated through the hydrogen selective permeable membrane 19a by the pressure generated by the bypass pump 18, and is circulated to the hydrogen separation chamber 19c. On the other hand, impurities other than hydrogen (for example, nitrogen or the like) are left in the gas introduction chamber 19 b and concentrated by the pressure generated by the bypass pump 18. Then, hydrogen in the hydrogen separation chamber 19 c is circulated to the fuel circulation passage 15 via the second check valve 22 of the bypass passage 17.
The gas introduction chamber 19b is provided with, for example, a discharge pipe 23a having a discharge valve 23 whose opening and closing is controlled by the control device 24, and impurities other than hydrogen remaining in the gas introduction chamber 19b can be discharged to the outside. It has been made possible.
[0035]
For example, the control device 24 calculates a command value for the rotational speed of the air compressor 12 according to the driving state of the vehicle, and controls the operation of the air compressor 12 according to the command value, thereby generating the power generation state of the fuel cell 11. To control.
Further, the control device 24, for example, the concentration of hydrogen contained in the reaction gas supplied to the anode 32 of the fuel cell 11, the concentration of hydrogen contained in the exhaust gas discharged from the anode 32 of the fuel cell 11, or the fuel cell 11. The driving of the bypass pump 18 and the opening / closing operation of the discharge valve 23 are controlled based on the power generation state (for example, the cell voltage which is the output voltage of the fuel cell).
[0036]
For example, when the hydrogen concentration of the reaction gas supplied to the fuel cell 11 or the exhaust gas discharged from the fuel cell 11 becomes lower than a predetermined concentration or the cell voltage becomes lower than the predetermined voltage, the control device 24 The bypass side pump 18 is driven and set so that the exhaust gas in the fuel circulation passage 15 is introduced into the fuel separator 19. At this time, the control device 24 can appropriately change the amount of exhaust gas introduced into the fuel separator 19 by controlling the operation of the circulation pump 16 together with the bypass pump 18 according to, for example, the driving state of the vehicle. Thus, the total amount of exhaust gas flowing through the fuel circulation passage 15 or an appropriate amount can be introduced into the fuel separator 19.
Further, at this time, in addition to controlling the amount of exhaust gas introduced into the fuel separator 19, the control device 24 controls the separation state by controlling the pressure of the exhaust gas introduced into the fuel separator 19. . That is, in the fuel separator 19, as the differential pressure between the gas introduction chamber 19b on the upstream side of the hydrogen selective permeable membrane 19a and the hydrogen separation chamber 19c on the downstream side becomes larger, the hydrogen separator is permeable to the hydrogen selective permeable membrane 19a. Since the amount of hydrogen to be increased increases, the control device 24 increases the pressure of the exhaust gas introduced into the gas introduction chamber 19b by increasing the current command value for the drive current supplied to the bypass pump 18, for example. As a result, the differential pressure between the upstream side and the downstream side of the hydrogen selective permeable membrane 19a increases, the amount of hydrogen that passes through the hydrogen selective permeable membrane 19a and returns to the fuel circulation passage 15 increases, and the fuel The amount of impurities other than hydrogen present in the circulation channel 15 is reduced, and the hydrogen concentration of the exhaust gas flowing through the fuel circulation channel 15 is increased.
[0037]
For this reason, the control device 24 includes, for example, a detection signal output from the first hydrogen sensor 45 provided in the inlet-side piping 41 on the anode 32 side of the fuel cell 11 and an outlet on the anode 32 side of the fuel cell 11. A detection signal output from the second hydrogen sensor 46 provided in the side pipe 43 and a detection signal output from the cell voltage detector 47 for detecting the power generation state of the fuel cell 11 are input.
Each of the hydrogen sensors 45 and 46 is, for example, a gas catalytic combustion type hydrogen sensor, a heat conduction type hydrogen sensor, an ultrasonic gas sensor, or the like.
[0038]
As described above, according to the reaction gas circulation fuel cell system 10 according to the present embodiment, the amount of exhaust gas introduced into the fuel separator 19 among the exhaust gas flowing through the fuel circulation passage 15 is appropriately changed. It is possible, and during the operation of the fuel cell 11, the concentration of impurities in the exhaust gas and the reaction gas flowing through the fuel circulation passage 15 is excessively increased while suppressing an increase in the output of the circulation pump 16. Can be prevented.
[0039]
In the above-described embodiment, the fuel separator 19 is disposed in the bypass passage 17 that bypasses the circulation pump 16 of the fuel circulation passage 15. However, the present invention is not limited to this. For example, the book shown in FIG. As in the reactive gas circulation fuel cell system 10 according to the first modified example of the embodiment, the second fuel circulation passage 51 for circulating the exhaust gas by the circulation pump 16 is circulated with respect to the circulation pump 16. The fuel separator 19 may be disposed in the second fuel circulation channel 51 by being provided in parallel with the channel 15. In the second fuel circulation passage 51, the first check valve 21, the bypass pump 18, the fuel separator 19, and the second check valve are sequentially arranged along the gas flow direction. 22 are provided.
In this case, an appropriate amount of the exhaust gas discharged from the circulation pump 16 is diverted to the second fuel circulation passage 51 and introduced into the fuel separator 19, and in the above-described embodiment. The bypass pump 18 can be omitted, which can contribute to the miniaturization of the reaction gas circulation fuel cell system 10.
[0040]
In the above-described embodiment, the bypass passage 17 is provided in the fuel circulation passage 15. However, the present invention is not limited to this, and for example, according to the second modification of the embodiment shown in FIG. As in the reactive gas circulation fuel cell system 10, a bypass passage 53 that bypasses the circulation pump 16 and is connected to a fuel supply pipe 52 that connects the fuel supply device 13 and the ejector 14 is provided. The fuel separator 19 may be disposed at 53.
In this case, the exhaust gas branched from the fuel circulation passage 15 to the bypass passage 53 on the downstream side of the circulation pump 16 is introduced into the fuel separator 19 via the first check valve 21, and the fuel separator 19 The hydrogen separated in step (b) is introduced into the fuel supply pipe 52 via the second check valve 22.
Thereby, the amount of hydrogen circulation to the anode 32 of the fuel cell 11 can be increased without increasing the load of the ejector 14 (for example, the suction amount of the side flow).
[0041]
In the above-described embodiment, the fuel separator 19 is disposed in the bypass flow path 17. However, the present invention is not limited to this. For example, the reaction gas circulation according to the third modification of the embodiment shown in FIG. The fuel separator 19 is disposed in the bypass flow path 17 as in the fuel cell system 10, and a second hydrogen separation rate different from the fuel separator 19, for example, a hydrogen separation rate smaller than that of the fuel separator 19 is provided. A fuel separator 54 may be provided in the fuel circulation passage 15 on the downstream side of the circulation pump 16. Here, the second fuel separator 54 includes, for example, a gas introduction chamber 54b and a hydrogen separation chamber 54c arranged so as to sandwich a hydrogen selective permeable membrane 54a that selectively permeates hydrogen from both sides. The bypass channel 17 is connected to the gas introduction chamber 54b.
The hydrogen separation rate is a parameter related to the ability to selectively separate hydrogen. For example, the reciprocal of the rate at which substances other than hydrogen (for example, nitrogen) contained in the exhaust gas are mixed into the separated hydrogen, etc. As the hydrogen separation rate increases, the amount of impurities other than hydrogen that permeate the hydrogen selective permeable membranes 19a and 54a and flow to the hydrogen separation chambers 19c and 54c decreases, and the hydrogen concentration in the hydrogen separation chambers 19c and 54c decreases. To rise. On the other hand, as the hydrogen separation rate decreases, the amount of impurities other than hydrogen that permeate the hydrogen selective permeable membranes 19a and 54a and flow to the hydrogen separation chambers 19c and 54c increases, and the hydrogen concentration in the hydrogen separation chambers 19c and 54c decreases. To do.
[0042]
That is, in the reactive gas circulation fuel cell system 10 according to the third modification, the exhaust gas flowing through the fuel circulation flow path 15 is first introduced into the second fuel separator 54 and relatively small hydrogen separation is performed. The hydrogen selective permeation membrane 54a has a hydrogen selective permeation membrane so that hydrogen is roughly separated, and the selectively separated hydrogen and an appropriate amount of impurities permeated through the hydrogen selective permeation membrane 54a are circulated from the hydrogen separation chamber 54c to the circulation pump 16. . Further, since impurities that have not permeated through the hydrogen selective permeation membrane 54a remain in the gas introduction chamber 54b of the second fuel separator 54, an appropriate amount of the exhaust gas in the gas introduction chamber 54b is appropriately combined with this impurity. The amount is diverted to the bypass flow path 17 by the bypass pump 18 and is circulated to the fuel separator 19 via the first check valve 21.
As a result, the impurities that are roughly concentrated in the gas introduction chamber 54b of the second fuel separator 54 are discharged from the discharge valve 23 to the outside via the gas introduction chamber 19b of the fuel separator 19, so that the fuel circulation An increase in the concentration of impurities in the fuel circulation channel 15 is suppressed while suppressing an excessive increase in pressure loss caused when exhaust gas flowing through the channel 15 passes through the hydrogen selective permeable membrane 54a. This can be prevented more reliably.
[0043]
In the reactive gas circulation fuel cell system 10 according to the third modification of the present embodiment described above, the bypass flow path 17 is connected to the gas introduction chamber 54b of the second fuel separator 54. However, the present invention is not limited to this. For example, as in the reactive gas circulation fuel cell system 10 according to the fourth modification of the present embodiment shown in FIG. 5, the bypass flow path 17 is provided in the hydrogen separation chamber 54 c of the second fuel separator 54. May be connected.
[0044]
In the present embodiment described above, the gas in the gas introduction chamber 19b is discharged to the outside by the discharge valve 23. However, the present invention is not limited to this. For example, the fifth modification of the present embodiment shown in FIG. Like the reaction gas circulation fuel cell system 10, the combustor 55 may be provided on the downstream side of the discharge valve 23, and the gas in the gas introduction chamber 19 b may be introduced into the combustor 55. The combustor 55 is supplied with air, which is an oxidant gas containing oxygen, via a flow rate adjustment valve 56 controlled by the control device 24, for example, and is not separated in the fuel separator 19 but is introduced into the gas introduction chamber 19b. The hydrogen remaining and introduced into the combustor 55 is combusted.
Thus, hydrogen is prevented from being discharged to the outside, and the combustion heat generated in the combustor 55 can be used, for example, for warming up the fuel cell 11 or heating the vehicle interior of the vehicle.
[0045]
In the above-described embodiment and the first to fifth modifications, the fuel separator 19 includes the hydrogen selective permeable membrane 19a. However, the present invention is not limited to this, and instead of the hydrogen selective permeable membrane 19a, For example, an electrochemical hydrogen pump that can selectively separate hydrogen by supplying power from an appropriate power source may be provided.
In the third and fourth modifications described above, the second fuel separator 54 may include an electrochemical hydrogen pump instead of the hydrogen selective permeable membrane 54a.
Here, the electrochemical hydrogen pump includes, for example, a solid electrolyte membrane having proton conductivity and two gas diffusible electrode members sandwiching the solid electrolyte membrane from both sides, and is supplied from an external power source. With the generated electric power, hydrogen is ionized in one electrode member to pass through the solid electrolyte membrane, and hydrogen is generated from hydrogen ions in the other electrode base material, thereby generating hydrogen from the gas in contact with one electrode member. Is selectively separated to the other electrode member side.
[0046]
In this electrochemical hydrogen pump, the amount of hydrogen to be separated increases as the amount of current supplied increases. For example, the control device 24 uses the reaction gas or fuel supplied to the fuel cell 11. When the hydrogen concentration of the exhaust gas discharged from the battery 11 becomes a predetermined concentration or less, or when the cell voltage becomes a predetermined voltage or less, the amount of the exhaust gas introduced into the electrochemical hydrogen pump is increased, The separation state is controlled by increasing the current command value for the amount of current supplied to the electrochemical hydrogen pump.
As a result, the amount of hydrogen returning from the fuel separator 19 or the second fuel separator 54 into the fuel circulation passage 15 is increased, and the amount of impurities other than hydrogen existing in the fuel circulation passage 15 is reduced. The hydrogen concentration of the exhaust gas flowing through the fuel circulation passage 15 is increased.
[0047]
In the present embodiment and the first to fifth modifications described above, the first and second hydrogen sensors 45, the inlet side pipe 41 and the outlet side pipe 43 on the anode 32 side of the fuel cell 11 are provided. However, the present invention is not limited to this, and an impurity sensor that detects the concentration of impurities such as nitrogen may be provided instead of the hydrogen sensors 45 and 46.
[0048]
In the above-described embodiment and the first to fifth modifications, the first and second check valves 21 and 22 can be omitted.
[0049]
【The invention's effect】
  As described above, according to the reaction gas circulation fuel cell system of the present invention, the amount of fuel circulation in the circulation passage is prevented from excessively decreasing, and the exhaust gas recirculated to the fuel electrode is prevented. It can prevent that the density | concentration of a fuel falls excessively.
  further,It is possible to prevent an excessive increase in the output of the circulation pump required to ensure a desired amount of fuel circulation in the circulation channel.
  Furthermore, the exhaust gas that can be recirculated to the fuel electrode can be appropriately changed by changing the flow rate and pressure of the exhaust gas that is supplied to the fuel separator among the exhaust gas that circulates in the circulation channel by driving the circulation pump The concentration of the fuel in the inside can be controlled appropriately.
  Also,Claim 2According to the reactive gas circulation fuel cell system described inIt is possible to prevent the concentration of the fuel in the exhaust gas recirculated to the fuel electrode from being excessively lowered while preventing the amount of fuel circulation in the circulation flow path from being excessively reduced.
  further,The exhaust gas can be circulated through the branch channel by effectively using the output of the circulation pump.
[0050]
  further,Claim 3For example, when the supply pressure of the fuel supplied to the fuel electrode changes, the pressure difference between the downstream side and the upstream side of the fuel separator is changed transiently. Therefore, it is possible to increase the separation efficiency in the fuel separator.
[0051]
  further,Claim 4According to the fuel cell system described in (2), the exhaust gas supplied to the fuel separator is provided with a branch flow channel, a circulation flow channel, and a supply flow channel by discharging impurities other than the separated fuel to the outside. In the fuel supply system configured as described above, it is possible to prevent the impurity concentration from excessively increasing.
  further,Claim 5According to the reactive gas circulation fuel cell system described in the above, for example, depending on the power generation state of the fuel cell, the concentration of the fuel or the substance other than the fuel contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell, etc. It is possible to appropriately control the impurity concentration in the fuel supply system including the flow path and the supply flow path.
[0052]
  further,Claim 6According to the fuel cell system described in (1), it is possible to prevent the fuel from being discharged to the outside even if the fuel is contained in the impurities flowing through the impurity discharge channel. In addition, the heat generated by the combustion of the fuel can be used for heating the fuel cell, for example.
  further,Claim 7According to the fuel cell system described in 1), it is possible to further reliably prevent the concentration of the fuel in the exhaust gas recirculated to the fuel electrode from being excessively lowered. In addition, it is possible to suppress an increase in pressure loss when the exhaust gas flowing through the circulation channel steadily passes through the second fuel separator, and to reduce the amount of fuel circulation in the circulation channel excessively. Can be prevented.
[0053]
  further,Claim 8According to the fuel cell system described in the above, depending on the state of the fuel cell, for example, the fuel concentration in the fuel supply system configured to include the branch flow path, the circulation flow path, and the supply flow path exceeds a predetermined concentration. It is possible to determine whether or not there is a risk of a decrease, and to increase the variety of control methods for controlling the concentration of fuel in the exhaust gas recirculated to the fuel electrode.
  further,Claim 9According to the fuel cell system described in (1), the cost required for the configuration of the fuel separator can be reduced by configuring the fuel separator with the selectively permeable membrane. In addition, by configuring the fuel separator with an electrochemical pump, it is possible to suppress an increase in pressure loss in the fuel separator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a reactive gas circulation fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a reactive gas circulation fuel cell system according to a first modification of the present embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of a reactive gas circulation fuel cell system according to a second modification of the present embodiment.
FIG. 4 is a configuration diagram of a reactive gas circulation fuel cell system according to a third modification of the present embodiment.
FIG. 5 is a configuration diagram of a reactive gas circulation fuel cell system according to a fourth modification of the present embodiment.
FIG. 6 is a configuration diagram of a reactive gas circulation fuel cell system according to a fifth modification of the present embodiment.
[Explanation of symbols]
10 Reactive gas circulation fuel cell system
15 Fuel circulation channel (circulation channel)
17 Bypass channel (branch channel)
18 Bypass pump (circulation pump)
19a Hydrogen selective permeable membrane (selective permeable membrane)
21 First check valve
22 Second check valve
23 Discharge valve (control valve)
23a discharge pipe (impurity discharge flow path)
24 Control device (discharge flow rate control means, separation control means)
32 Anode (fuel electrode)
33 Cathode (oxygen electrode)
41 Inlet side piping (supply channel)
43 Outlet piping (discharge channel)
45 First hydrogen sensor (concentration detector)
46 Second hydrogen sensor (concentration detector)
47 Cell voltage detector (state detection means)
51 Second fuel circulation channel (branch channel)
52 Fuel supply pipe (supply flow path)
53 Bypass channel (branch channel)

Claims

It has a fuel electrode and an oxygen electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane from both sides, and as a reaction gas, a fuel containing hydrogen is supplied to the fuel electrode, an oxidant containing oxygen is supplied to the oxygen electrode, and an electrochemical reaction A fuel cell that generates electricity,
A discharge flow path for flowing the exhaust gas discharged from the fuel electrode and a supply flow path for flowing the fuel supplied to the fuel electrode are connected to join the exhaust gas to the newly supplied fuel. A circulation passage for recirculation to the fuel cell;
A branch channel branched from the circulation channel and connected to the circulation channel or the supply channel;
A fuel separator that is disposed in the branch flow path and that can selectively separate the fuel from the exhaust gas flowing through the branch flow path and discharge the fuel to the branch flow path ;
A circulation pump disposed in the circulation flow path for circulating the exhaust gas;
In the branch flow path, disposed on the upstream side of the fuel separator, comprising a flow pump for circulating the exhaust gas to the fuel separator ,
The branch passage connects the upstream portion and the downstream portion of the circulation pump, the reaction gas circulation type fuel cell system characterized Rukoto by circulating the exhaust gas to bypass the circulation pump.

It has a fuel electrode and an oxygen electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane from both sides, and as a reaction gas, a fuel containing hydrogen is supplied to the fuel electrode, an oxidant containing oxygen is supplied to the oxygen electrode, and an electrochemical reaction A fuel cell that generates electricity,
A discharge flow path for flowing the exhaust gas discharged from the fuel electrode and a supply flow path for flowing the fuel supplied to the fuel electrode are connected to join the exhaust gas to the newly supplied fuel. A circulation passage for recirculation to the fuel cell;
A branch channel branched from the circulation channel and connected to the circulation channel or the supply channel;
A fuel separator that is disposed in the branch flow path and that can selectively separate the fuel from the exhaust gas flowing through the branch flow path and discharge the fuel to the branch flow path;
Wherein arranged in the circulation passage, and a circulation pump for circulating the exhaust gas,
The branch passage connects an upstream portion and a downstream portion of the circulation pump , and the exhaust gas introduced into the branch passage from the downstream side of the circulation pump is upstream of the circulation pump via the fuel separator. A reaction gas circulation type fuel cell system which is circulated so as to be recirculated to the side .

The reactive gas circulation fuel cell system according to claim 1, wherein the branch flow path includes a check valve that regulates a back flow of the exhaust gas .

4. The apparatus according to claim 1, further comprising an impurity discharge channel connected to the fuel separator and capable of discharging impurities formed by separating the fuel from the exhaust gas to the outside . 5. Reactive gas circulation fuel cell system.

The reactive gas circulation fuel cell system according to claim 4, further comprising a control valve disposed in the impurity discharge channel and capable of changing a flow rate of the impurity .

The reactive gas circulation fuel cell system according to claim 4, further comprising a combustor disposed in the impurity discharge channel and capable of combusting the fuel contained in the impurity .

When the fuel is selectively separated from the exhaust gas, the separation rate according to the reciprocal of the ratio of substances other than the fuel contained in the exhaust gas mixed into the separated fuel is the separation of the fuel separator. A second fuel separator having a value smaller than the rate is provided in the circulation channel;
The branch flow path connects the second fuel separator and the circulation path or the supply flow path, and the impurity concentration is formed by separating the fuel from the exhaust gas by the second fuel separator. The reactive gas circulation type fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein gas is supplied to the fuel separator .

A concentration detector that is disposed at least in either the supply channel or the discharge channel and detects the concentration of the fuel or a predetermined substance other than the fuel;
A discharge flow rate control means for controlling the flow rate of the impurities discharged from the impurity discharge flow path according to a detection result of the concentration detector, and a separation control means for controlling the separation state of the exhaust gas in the fuel separator The reaction gas circulation type fuel cell system according to any one of claims 4 to 7, further comprising:

State detecting means for detecting the state of the fuel cell;
A discharge flow rate control means for controlling the flow rate of the impurities discharged from the impurity discharge flow path according to a detection result of the state detection means, and a separation control means for controlling the separation state of the exhaust gas in the fuel separator The reaction gas circulation type fuel cell system according to any one of claims 4 to 7, further comprising:

The fuel separator includes a permselective membrane that selectively permeates the fuel, an electrolyte membrane having conductivity with respect to the ionized fuel, and an electrode member that sandwiches the electrolyte membrane from both sides and is energized from an external power source. The reactive gas circulation fuel cell system according to any one of claims 1 to 9, further comprising an electrochemical pump .