JP4956884B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムとしては、例えば、高分子電解質膜型の燃料電池が用いられた燃料電池システムがある。また、このような燃料電池システムの一例として、燃料電池スタックに対して、水素給排系を含む循環経路をもって水素を燃料電池に供給するものであって、その循環経路に循環経路内を大気に開放する大気開放弁が設けられており、燃料電池の発電効率の低下時や、循環経路内の水素濃度の低下時に、大気開放弁を開放することで、起電反応を阻害する物質（以下では、反応阻害物質という）の除去を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。

これは、燃料電池内の水素経路（アノード極側）に反応阻害物質が混入することで、水素濃度が低下し、アノード過電圧が大きくなり、燃料電池における発電効率の低下の抑制を図ったものである。なお、反応阻害物質は、酸化剤極（カソード側）から高分子電解質膜を透過した水や窒素等である。
特開２０００−２４３４１７号公報

ところで、水素ガスを燃料電池に供給する方法としては、上記したような循環経路をもって、燃料電池に供給した水素ガスのうち、未反応水素ガスを回収し、回収した未反応水素を再度、燃料電池に供給する方法の他に、水素ガスを循環させず、単に水素ガスを燃料電池に供給する方法が考えられる。

このような単に水素ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池内では、燃料電池内の水素供給口から離れた部位に、反応阻害物質が溜まり、水素供給口から離れた側から水素供給口に向かって、順に、水素濃度が低下し、発電効率が悪くなる。

そこで、このような燃料電池システムの構成を、反応阻害物質を燃料電池外に排出するための反応阻害物質排出経路を燃料電池の水素極側に接続し、この排出経路内に大気開放弁を設けた構成とすることが考えられる。そして、発電時では、開放弁を閉じた状態とするが、上記した燃料電池システムと同様に、燃料電池内の水素経路中に反応阻害物質が増加によって、燃料電池の発電効率が低下した時に、大気開放弁を開放する。これにより、反応阻害物質を燃料電池内から排出させることが考えられる。

しかし、上記した水素を循環供給する燃料電池システムと、上記した単に水素ガスを供給する燃料電池システムのどちらも、燃料電池の発電効率の低下時等に、反応阻害物質の除去を行うものであるため、反応阻害物質を除去するタイミングを判定する制御手段が必要である。

また、上記した両方の燃料電池システムは、燃料電池の発電効率が低下した時に、反応阻害物質の除去を行うものであるため、一時的ではあるが、燃料電池の発電効率が低下する場合が生じてしまう。すなわち、上記した燃料電池システムでは、常に発電効率の良い状態で運転することができないという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、従来の燃料電池システムよりも、簡素であって、かつ、燃料電池内での反応阻害物質の存在による発電効率の低下を常に抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１、２に記載の発明では、反応阻害物質排出経路（３２）における燃料電池（１０）に接続されている側と反対側の端部（３２ａ）が、酸化剤ガス供給経路（２１）のうち、ポンプ（２３）よりもポンプ（２３）の酸化剤ガス吸入側の部位に、接続されていることを特徴としている。

一般に、燃料電池に供給される水素は、大気よりも高い圧力になっている。このため、水素ガス供給経路内の圧力は、酸化剤ガス供給経路内におけるポンプの吸入側の部位よりも高くなっている。したがって、燃料電池の反応阻害物質出口と、酸化剤ガス供給経路のポンプよりも酸化剤ガス吸入側の部位との間に圧力差が生じている。そこで、本発明では、この圧力差と、酸化剤ガス供給経路のポンプの吸引力とを利用して、反応阻害物質を燃料電池から排出するようにしている。

これにより、本発明では、反応阻害物質の排出を促すためだけに、ポンプ等の動力を別途用いる必要がない。また、本発明は、反応阻害物質を常に、燃料電池内から排出するものであるため、上記したような反応阻害物質を放出するための制御を省略できる。この結果、本発明によれば、燃料電池システムを従来よりも簡素化することができる。

また、本発明では、反応阻害物質を、常に、燃料電池内から排出しているため、反応阻害物質が燃料電池内に溜まるのを抑制することができる。これにより、反応阻害物質による発電効率の低下を常に抑制することができる。

以上のことから、本発明によれば、従来の燃料電池システムよりも、簡素であって、かつ、燃料電池内での反応阻害物質の存在による発電効率の低下を常に抑制できる燃料電池システムを提供することができる。

また、請求項１、２に記載の発明では、反応阻害物質排出経路（３２）内を流れる反応阻害物質の流量を減少させるように調整する調整手段（４３）が、反応阻害物質排出経路（３２）内に配置されており、
さらに、請求項１に記載の発明では、調整手段（４３）は、反応阻害物質を透過するとともに、反応阻害物質の流れに対して抵抗の働きを有する高分子膜であることを特徴とし、
請求項２に記載の発明では、調整手段は、セラミックスもしくは金属製であって、反応阻害物質を透過するとともに、反応阻害物質の流れに対して抵抗の働きを有する多孔体であることを特徴としている。

反応阻害物質排出経路には、反応阻害物質だけでなく起電反応に使用されなかった水素ガス（未反応水素ガス）も燃料電池から流れ込む。したがって、このような調整手段が配置されていない場合、反応阻害物質排出経路内を未反応水素ガスが多く流れるため、燃料電池の外部に多くの未反応ガスが排出されることとなる。このため、燃料電池の発電効率が低下するという問題が生じる。

これに対して、請求項１、２に示す発明では、燃料電池内から反応阻害物質が少しずつ排出されるように、この反応阻害物質の流量を調整している。これにより、燃料電池内からの未反応水素ガスの排出量を、反応阻害物質の流量を調整する手段を設けていない燃料電池システムと比較して、少なくできる。したがって、本発明によれば、反応阻害物質の流量を調整する手段を設けていない燃料電池システムと比較して、燃料電池の発電効率が低下するのを抑制することができる。

請求項３に記載の発明では、調整手段（４３）は、反応阻害物質が天地方向の上側から調整手段（４３）に入り、反応阻害物質が天地方向の下側に向かって調整手段（４３）を透過するように、配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、窒素および水蒸気は、水素よりも重いため、窒素および水蒸気を水素よりも優先的に調整手段を通過させることができる。すなわち、窒素および水蒸気を水素よりも優先的に燃料電池から排出させることができる。

請求項１ないし３のいずれか１つに記載の発明において、燃料電池の運転時では、反応阻害物質排出経路のうち、調整手段よりも燃料電池側の部位と、調整手段よりも酸化剤ガス供給経路側の部位との間に、差圧（気圧の差）が生じている。一方、調整手段が破損した場合、両者間には差圧が生じていないか、もしくは調整手段が正常な状態である場合と比較して、両者間に差圧が小さい。

そこで、請求項４に示すように、反応阻害物質排出経路（３２）のうち、調整手段（４３）よりも燃料電池（１０）側の部位（３２ｂ）と、調整手段（４３）よりも酸化剤ガス供給経路側（２１）の部位（３２ｃ）との圧力差を測定する測定手段（４４）を設ける。

さらに、反応阻害物質排出経路（３２）内に、圧力差を測定する測定手段の測定結果に応じて、反応阻害物質排出経路（３２）を開閉する開閉弁（３８）を設ける。

そして、測定した差圧が正常の場合、開閉弁（３８）を開弁し、測定した差圧が正常時よりも小さい場合に、開閉弁（３８）を閉弁する。これにより、調整手段が破損した場合に、燃料電池から排出された未反応水素ガスの多くが、酸化剤ガス供給経路に流れ込むのを防止することができる。

また、上記した燃料電池システムに対して、請求項５に示すように、酸化剤ガス供給経路（２１）内のうち、反応阻害物質排出経路（３２）が接続された部位（３２ａ）から燃料電池（１０）と接続された部位までの間に、触媒燃焼装置（２８）を配置することができる。

これにより、燃料電池内から反応阻害物質排出経路を介して未反応水素ガスが排出されても、この未反応水素ガスを触媒燃焼装置で燃焼させることができる。このため、この燃料電池内に、酸化剤供給経路を通じて、酸化剤ガスと未反応水素ガスとの混合ガスが入り、この混合ガスが燃料電池内の触媒上で触媒燃焼するのを抑制することができる。この結果、未反応ガスの燃料電池内での触媒燃焼による燃料電池内部の温度上昇を抑制することができる。

また、請求項６に示すように、反応阻害物質排出経路（３２）内のうち、燃料電池（１０）と接続された部位から調整手段（４３）までの間に、気体と水とを分離する気水分離器（３６）を配置することもできる。

また、請求項７に示すように、他の部位（５３）よりも酸化剤ガスを高速に流すことで、酸化剤ガス供給経路（２１）内の圧力よりも圧力を低くする負圧発生手段（５１）を、酸化剤ガス供給経路（２１）のポンプ（２３）よりもポンプ（２３）の吸入側の部位に配置する。そして、反応阻害物質排出経路（３２）における燃料電池に接続されている側と反対側の端部（３２ａ）を、負圧発生手段（５１）に接続させることもできる。

このように、負圧発生手段により、酸化剤ガス供給経路内に、圧力が低い部分を設け、この圧力が低い部分に、反応阻害物質排出経路を接続することで、負圧発生手段を配置していない燃料電池システムと比較して、反応阻害物質排出経路の両端における圧力差を大きくすることができる。この結果、負圧発生手段が配置されていない場合と比較して、燃料電池からの反応阻害物質の排出を促進させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。この燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。

燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応（起電反応）が起こり、電気エネルギが発生する。なお、酸素が本発明の酸化剤ガスに相当し、水素極、酸素極がそれぞれ、本発明の燃料極、酸化剤極に相当する。
アノード（水素極側）Ｈ_２→２Ｈ＋＋２ｅ⁻
カソード（酸素極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
全体 Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。電解質膜および電極としては、例えば、固体高分子膜の両面に電極（燃料極、空気極）が接合されたＭＥＡ（Membrane Electrode assembly）が用いられている。

燃料電池１０は、空気供給口１１と、空気排出口１２とを有している。空気（酸素）は、空気供給口１１から燃料電池１０の内部に入り、各セルに供給され、起電反応に用いられなかった空気が、空気排出口１２から燃料電池１０の外部に放出される。

また、燃料電池１０は、水素ガス供給口１３と、反応阻害物質排出口１４とを有している。水素ガスは、水素ガス供給口１３から燃料電池１０の内部に入り、各セルに供給される。そして、供給された水素のうち起電反応に用いられなかった水素や、酸素極から電解質膜を通過して混入した窒素、酸素等が、反応阻害物質排出口１４から燃料電池１０の外部に放出されるようになっている。

燃料電池システムは、図１に示すように、空気供給経路２１と、空気排出経路２２と、水素ガス供給経路３１と、反応阻害物質排出経路３２とを備えている。空気供給経路２１は、燃料電池１０の空気供給口１１に接続されており、燃料電池１０の酸素極に空気を供給するためのものである。空気排出経路２２は、燃料電池１０の空気排出口１２に接続されており、燃料電池１０から排出された空気が通る経路である。水素ガス供給経路３１は、燃料電池１０の水素ガス供給口１３に接続されており、水素極側に水素を供給するためのものである。反応阻害物質排出経路３２は、燃料電池１０の反応阻害物質排出口１４に接続されており、燃料電池１０から排出された反応阻害物質等が通る経路である。

空気供給経路２１には、空気圧送用のポンプ（ガス圧縮機）２３が設けられている。このポンプ２３は電動モータ２４によって駆動される。また、空気供給経路２１には、ポンプ２３の空気吸入側にエアークリーナ２５が設けられている。エアークリーナ２５は、大気に含まれるゴミ等の物質を除去するためのものである。エアークリーナ２５は、例えば、ゴミ等の物質を除去するためのフィルターを有している。エアークリーナ２５により、ゴミ等の物質を除去した空気が、燃料電池１０に供給される。

空気排出経路２２には、燃料電池１０の排出側の空気圧力を調整する空気調圧弁２６が設けられている。なお、空気供給経路２１に、空気供給経路２１を開閉する図示しない空気供給経路開閉弁を設けてもよい。燃料電池１０に空気を供給する際には、電動モータ２４によってポンプ２３を駆動し、空気調圧弁２６により空気圧を調整する。

空気供給経路２１と空気排出経路２２には、加湿器２７が設けられている。この加湿器２７は、燃料電池１０から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いてポンプ２３の吐出後の空気を加湿するものである。これにより、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を、水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。

水素ガス供給経路３１には、水素ガスが充填された水素ボンベ３３、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３４、および水素ガス供給経路３１を開閉する水素ガス供給経路開閉弁３５が設けられている。水素ボンベ３３は、内部が大気圧よりも高圧となっている。そして、燃料電池１０に水素を供給する際には、水素ガス供給経路開閉弁３５を開弁するとともに、水素調圧弁３４によって所望の水素圧力に調整する。

反応阻害物質排出経路３２には、燃料電池１０の反応阻害物質排出口１４から排出された水蒸気（あるいは水）および酸素極から電解質膜を通過して混入した窒素、酸素等の反応阻害物質だけでなく、燃料電池１０から排出された未反応水素ガスも通る。

反応阻害物質排出経路３２は、燃料電池１０の反応阻害物質排出口１４と接続されている側と反対側の端部３２ａが、空気供給経路２１のうち、ポンプ２３と、ポンプ２３の空気吸入側に位置するエアークリーナ２５との間に接続されている。なお、ポンプ２３の空気吸入側とは、空気供給経路２１のポンプ２３よりも上流側のことである。

また、反応阻害物質排出経路３２には、燃料電池１０側から順に気水分離器３６、エンドモジュール３７、反応阻害物質排出経路３２を開閉する反応阻害物質排出経路開閉弁３８が設けられている。

気水分離器３６は、反応阻害物質排出経路３２中を通る気体から、水（液体）を分離し、水だけを、反応阻害物質排出経路３２内から排出する。気水分離器３６としては、例えば、遠心分離方式の気液分離器で、水が一定量溜まった場合に、反応阻害物質排出経路３２の外部に、水を排出する機構のものを用いることができる。

エンドモジュール３７は、気水分離器３６の下流側に配置されている。このエンドモジュール３７は、２つの部屋（水素室、負圧室）４１、４２が膜４３によって仕切られた構成の装置である。この膜４３が本発明の反応阻害物質の流量を調整する調整手段に相当する。

水素室４１は、反応阻害物質排出経路３２のエンドモジュール３７よりも上流側（燃料電池１０側）の部分３２ｂと接続されており、負圧室４２は、反応阻害物質排出経路３２のエンドモジュール３７よりも下流側の部分３２ｃと接続されている。なお、以下では、反応阻害物質排出経路３２のうち、エンドモジュール３７よりも上流側の部分３２ｂを、単に反応阻害物質排出経路３２の上流側部分３２ｂといい、エンドモジュール３７よりも下流側の部分３２ｃを、単に反応阻害物質排出経路３２の下流側部分３２ｃという。

また、エンドモジュール３７は、水素室４１が天地方向の上側となり、負圧室４２が天地方向の下側となるように配置されている。これにより、反応阻害物質排出経路３２を流れる反応阻害物質等は、エンドモジュール３７内で、天地方向の上側から、膜に向かって流れ、膜を透過した反応阻害物質が、天地方向の下側に向かって流れる。

この膜４３は、反応阻害物質排出経路３２内を流れる反応阻害物質の流量を抑制するものである。具体的には、この膜４３は、図１に示すように、窒素透過膜４３ａと、蒸気透過膜４３ｂの別個の膜を並べた構成となっている。

窒素透過膜４３ａは窒素を他の物質よりも優先的に透過させる膜である。窒素透過膜４３ａとしては、例えば、窒素および窒素よりも小さな分子のみを透過させる高分子膜を用いることができる。一方、蒸気透過膜４３ｂは、水蒸気を他の物質よりも優先的に透過させる膜である。蒸気透過膜４３ｂとしては、水蒸気および水蒸気よりも小さな分子のみを透過させる膜であって、例えば、高分子膜の一種である中空糸膜を用いることができる。なお、窒素透過膜４３ａとして窒素よりも小さな分子のみを透過させる高分子膜を用いた場合、窒素と水蒸気は窒素透過膜４３ａを透過する。一方、蒸気透過膜４３ｂとして中空糸膜を用いた場合、水蒸気は蒸気透過膜４３ｂを透過するが、窒素は蒸気透過膜４３ｂを透過できない。

このように、窒素透過膜４３ａおよび蒸気透過膜４３ｂは窒素や、水蒸気を通すが、膜自体が、窒素や水蒸気等の流れに対して抵抗の働きを有する。このため、窒素透過膜４３ａおよび蒸気透過膜４３ｂによって、窒素や水蒸気の流量が抑制される。

なお、本実施形態では、このように膜４３として、窒素透過膜４３ａと蒸気透過膜４３ｂの別個の膜を用いているが、窒素と水蒸気の透過率が大きな１つの膜を用いることもできる。例えば、上記したように、窒素よりも小さな分子のみを透過させる高分子膜のみを、膜４３として用いることもできる。

また、窒素や水蒸気のみを燃料電池１０から排出し、未反応水素ガスを燃料電池１０に留めておくという観点から、窒素および水蒸気の透過性が高く、水素の透過性が低い膜を膜４３として用いることが好ましい。

また、エンドモジュール３７には、水素室４１と負圧室４２との差圧（圧力差）を測定する圧力センサが設けられている。圧力センサは、燃料電池システムが有する図示しない制御手段に測定結果を送信するようになっている。そして、この制御手段は、その測定結果に基づいて、反応阻害物質排出経路開閉弁３８を閉弁するようになっている。

また、空気供給経路２１には、反応阻害物質排出経路３２との接続部３２ａと、ポンプ２３との間に、触媒燃焼装置２８が設けられている。この触媒燃焼装置２８は、触媒上で水素に酸素を化合（燃焼）させる装置である。

次に、本実施形態の燃料電池システムの作動について説明する。水素ガス供給経路３１から燃料電池１０に水素ガスが供給され、空気供給経路２１から燃料電池１０に空気が供給されることで、燃料電池１０で起電反応が起きる。そして、起電反応に用いられなかった空気が、燃料電池１０から空気排出経路２２に排出され、さらに空気排出経路２２から大気中に放出される。一方、窒素、水蒸気、水等の反応阻害物質や、未反応水素ガスが、燃料電池１０から反応阻害物質排出経路３２に排出され、これらが、反応阻害物質排出経路３２内を流れる。

ここで、未反応ガスが反応阻害物質排出経路３２を流れるしくみを説明する。反応阻害物質排出経路３２が接続されている部位３２ａは、エアークリーナ２５を透過した空気が流れているため、大気圧よりも低い。このため、この部位３２ａと連通している負圧室４２内の圧力は、大気圧よりも低くなっている。一方、水素ガスは、大気よりも高い圧力状態で、燃料電池１０に供給されているため、水素ガス供給経路３１および反応阻害物質排出経路３２は大気圧よりも高くなっている。このため、反応阻害物質排出経路３２と連通している水素室４１内の圧力は、大気圧よりも高くなっている。

したがって、負圧室４２内は水素室４１内よりも圧力が小さく、水素室４１と負圧室４２との間に圧力差が生じている。本実施形態では、この圧力差と、空気供給経路２１のポンプ２３の吸引力を利用して、反応阻害物質が反応阻害物質排出経路３２内を流れるようになっている。

そして、燃料電池１０から反応阻害物質排出経路３２に排出された水（液体）は、気水分離器３６により、反応阻害物質排出経路３２から排出され、気体である未反応水素ガスおよび窒素、水蒸気等は、エンドモジュール３７の水素室４１に入る。

エンドモジュール３７の水素室４１に入った窒素、水蒸気は、膜４３を通って、負圧室４２に入る。このとき、膜４３により、反応阻害物質排出経路３２の下流側部３２ｃを流れる窒素、水蒸気の流量が抑制される。なお、水素分子は、窒素分子や水蒸気よりも小さいため、本実施形態の膜４３では、未反応水素ガスも透過してしまう。しかし、天地方向の上側に水素室４１が位置し、天地方向の下側に負圧室４２が位置するように、エンドモジュール３７が配置されていることから、エンドモジュール３７内では、窒素、水蒸気よりも軽い未反応水素ガスが水素室４１に溜まり、窒素や水蒸気が水素よりも優先的に膜４３を透過する。

膜４３を透過した窒素および水蒸気は、負圧室４２から反応阻害物質排出経路３２の下流側３２ｃ、空気供給経路２１と順に流れ、さらに、空気と共に、空気供給経路２１内の触媒燃焼装置２８、加湿器２７を通って、燃料電池１０に流れる。そして、水蒸気は燃料電池１０内の加湿に用いられ、窒素は起電反応に用いられなかった空気と一緒に、燃料電池１０から空気排出経路２２に排出され、空気排出経路２２から大気中に放出される。

このとき、未反応水素ガスが、膜４３を透過し、反応阻害物質排出経路３２の下流側部３２ｃを通って、空気供給経路２１に流れ込む場合がある。しかし、未反応水素ガスは、触媒燃焼装置２８で燃焼されるため、未反応水素ガスが燃料電池１０へ流れ込むのを防いでいる。なお、この触媒燃焼により生じた水は、膜４３を通過した水蒸気とともに燃料電池１０内の加湿に用いられる。

次に、本実施形態の燃料電システムの主な特徴について説明する。上記したように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１０の反応阻害物質排出口１４に接続させた反応阻害物質排出経路３２を設け、この反応阻害物質排出経路３２を、空気供給経路２１のポンプ２３とエアークリーナ２５との間に接続させている。そして、水素室４１と負圧室４２との差圧と、ポンプ２３の吸引力を利用して、反応阻害物質を燃料電池１０から常に排出するようになっている。

これにより、本実施形態によれば、上記背景技術の欄で説明した従来技術に用いられていたような反応阻害物質を放出するための制御を省略できる。また、反応阻害物質の排出を促すためのポンプ等の動力を別途用いる必要がない。これにより、燃料電池システムを従来よりも簡素化することができる。

また、本実施形態の燃料電システムでは、反応阻害物質を、常に、燃料電池１０から反応阻害物質排出経路３２を介して、燃料電池システムの外部に排出している。このため、反応阻害物質が燃料電池内に溜まるのを常に抑制することができ、反応阻害物質による発電効率の低下を常に抑制することができる。

以上のことから、本実施形態によれば、燃料電池システムを従来の燃料電池システムよりも、簡素とし、かつ、燃料電池内での反応阻害物質の存在による発電効率の低下を常に抑制することができる。

また、本実施形態では、反応阻害物質排出経路３２に、膜４３によって仕切られた水素室４１および負圧室４２を有するエンドモジュール３７を設けている。なお、本実施形態において、エンドモジュール３７を省略することもできる。しかし、この場合、燃料電池１０内から反応阻害物質だけでなく、未反応水素ガスも多く排出されてしまう。このため、未反応水素ガスが排出されてしまう分だけ、燃料電池１０の発電効率が低下するという問題が生じる。

これに対して、本実施形態では、膜４３によって、反応阻害物質排出経路３２の膜４３よりも下流側３２ｃの部位に、反応阻害物質が徐々に流れるように、反応阻害物質の流量を調整している。これにより、未反応水素ガスが燃料電池１０から多く排出されることによる燃料電池１０の発電効率の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、エンドモジュール３７が、水素室４１が天地方向の上側となり、負圧室４２が天地方向の下側となるように配置されており、反応阻害物質等は、エンドモジュール３７内で、天地方向の上側から、膜４３に向かって流れ、膜４３を透過した反応阻害物質が、天地方向の下側に向かって流れるようになっている。

これにより、水素室４１に未反応水素ガスを留めることができ、窒素および水蒸気を水素よりも優先的に燃料電池から排出させることができる。なお、水素室４１内の未反応水素ガスは、燃料電池１０内に戻り起電反応に使用される。このことからも、未反応水素ガスが燃料電池１０から多く排出されることによる燃料電池１０の発電効率の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、エンドモジュール３７に差圧センサ４４を設け、差圧センサ４４により水素室４１と負圧室４２との差圧を測定している。これは、燃料電池１０の運転時では、膜４３が存在するため水素室４１と負圧室４２との間に差圧が生じているが、膜４３が破損した場合、この差圧が小さくなるか、もしくは差圧がなくなるからである。したがって、差圧を測定することで、膜４３の破損を検出することができる。

そして、差圧センサ４４が、水素室４１と負圧室４２との間の差圧が小さくなったこと、もしくは差圧がなくなったことを検出した場合、制御手段によって反応阻害物質排出経路開閉弁３８を閉弁させる。

これにより、膜４３が破損した場合に、燃料電池から未反応水素ガスが多く排出されるのを防止することができる。

また、本実施形態では、反応阻害物質排出経路３２と空気供給経路２１との接続部３２ａと、燃料電池１０の空気供給口１１との間に、触媒燃焼装置２８を配置している。

これにより、未反応水素ガスが膜４３を透過した場合、この未反応水素ガスを触媒燃焼装置２８で燃焼させることができる。このため、空気供給経路２１から燃料電池１０に水素ガスと空気の混合気が入り、燃料電池１０の空気極で触媒燃焼が起きることを防ぐことができる。また、この燃料電池システムでは、水素ガスを大気中にそのまま放出しないので、水素ガスをそのまま放出する燃料電池システムと比較して、安全性が高くなっている。

なお、本実施形態の燃料電池システムでは、触媒燃焼装置２８を省略することもできる。この場合であっても、膜４３を透過した未反応水素ガスは、燃料電池１０の酸素極で触媒燃焼される。したがって、本実施形態の燃料電池システムは、触媒燃焼装置２８を省略しも、水素ガスをそのまま大気中に放出しないので、水素ガスをそのまま放出する燃料電池システムと比較して、安全性が高い。ただし、この場合、未反応水素ガス燃料電池１０内での触媒燃焼によって、燃料電池１０内部の温度が上昇するため、燃料電池１０内部の温度を、ＭＥＡの耐熱温度以下となるように、周知の手段により制御する必要がある。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、反応阻害物質排出経路３２の上流側部３２ｂに、気水分離器３６が配置されている。仮に、気水分離器３６が配置されていない場合、燃料電池１０の反応阻害物質排出口１４から排出された水（液体）が膜４３に付着する。このため、圧損が大きくなるので、窒素や水蒸気が膜４３を透過し難くなるという問題が発生する。

そこで、本実施形態では、気水分離器３６を配置することで、水が膜４３に到達する前に、反応阻害物質排出経路３２から水を排出するようにしている。これにより、膜４３に水が付着することで、窒素や水蒸気が膜４３を透過しにくくなるのを抑制することができる。

（第２実施形態）
図２に第２実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。図２では、図１の燃料電池システムと同様の構成部に、図１と同じ符号を付している。本実施形態は、ベンチュリ管５１を備えている点が第１実施形態と異なっている。

本実施形態の燃料電池システムでは、図２に示すように、空気供給経路２１のポンプ２３よりもポンプ２３の吸入側（上流側）の部位であって、エアークリーナ２５と触媒燃焼装置２８との間に、ベンチュリ管５１が配置されている。

ベンチュリ管５１は、ベンチュリ管５１内の他の部位５３よりも流路が細くなっている絞り部５２を有している。この絞り部５２では、流体（空気）の流速が、ベンチュリ管５１内の他の部位５３よりも高速となり、空気供給経路２１内よりも圧力が低下している。すなわち、絞り部５２では、負圧が発生しており、大気圧よりも低くなっている。なお、このベンチュリ管５１が、本発明の負圧発生手段に相当する。

そして、この絞り部５２に、反応阻害物質排出経路３２における燃料電池１０に接続されている側と反対側の端部３２ａ、すなわち、反応阻害物質排出経路３２の下流側部３２ｃが接続されている。

このように、本実施形態では、大気圧よりも圧力が低い絞り部５２に、反応阻害物質排出経路３２の下流側部３２ｃが接続されている。したがって、反応阻害物質排出経路３２の上流側部３２ｂに接続されている水素室４１と、下流側部３２ｃに接続されている負圧室４２との圧力差が、第１実施形態よりも大きくなっている。

これにより、窒素および水蒸気の膜４３の透過を促進させることができる。すなわち、燃料電池１０からの窒素および水蒸気の排出を促進させることができる。また、本実施形態では、水素室４１と負圧室４２との圧力差が大きいので、第１実施形態と比較して、エンドモジュール３７の容量を小さくすることもできる。

なお、本実施形態では、ベンチュリ管５１を用いる場合を説明したが、ベンチュリ管５１に限らず、絞り部を有するものであれば、他の管等を用いることもできる。また、絞り部を有するものに限らず、高速流体によって生じた負圧を利用して、ある空間の流体を排出するエジェクタを、ベンチュリ管５１の代わりに用いることもできる。

（他の実施形態）
上記した各実施形態では、水素室４１、負圧室４２および膜４３を有するエンドモジュール３７を用いる場合を例として説明したが、エンドモジュール３７を省略し、単に反応阻害物質排出経路３２内に膜４３を配置することもできる。この場合でも、反応阻害物質が天地方向の上側から膜４３に入り、反応阻害物質が天地方向の下側に向かって膜４３を透過するように、膜４３を配置する。これにより、窒素および水蒸気を水素よりも優先的に燃料電池から排出させることができる。

また、上記した各実施形態では、燃料電池として高分子電解質型燃料電池を用いる場合を例として説明したが、他の種類の燃料電池を用いることもできる。

また、上記した各実施形態では、燃料電池システムにエアークリーナ２５を設ける場合を例として説明したが、エアークリーナ２５を省略することもできる。この場合、反応阻害物質排出経路３２が空気供給経路２１に接続されている部位３２ａの圧力は、大気圧と同じであり、反応阻害物質排出経路３２の膜４３よりも上流側の部位３２ｂの圧力は大気圧よりも高いため、水素室４１と負圧室４２との間に圧力差が生じている。したがって、この場合においても、この圧力差を利用して、反応阻害物質を燃料電池１０から反応阻害物質排出経路３２に排出することができる。

また、上記した各実施形態では、空気供給経路２１に加湿器２７を配置する場合を例として説明したが、加湿器２７を省略することができる。上記したとおり、本実施形態では、燃料電池１０の反応阻害物質排出口１４から排出された水蒸気が反応阻害物質排出経路３２、空気供給経路２１を介して、燃料電池１０の空気供給口１１に流れるようになっており、この水蒸気により、空気を加湿することができるからである。また、空気供給経路２１のうち、反応阻害物質排出経路３２との接続部３２ａと、燃料電池１０の空気供給口１１との接続部との間に、触媒燃焼装置２８を配置していれば、触媒燃焼装置２８で生成された水によっても、空気を加湿することができるからである。

また、上記した各実施形態では、調整手段として高分子膜等の膜４３を用いる場合を例として説明したが、膜に限らず、窒素や水蒸気等の反応阻害物質を透過するものであれば、他のものを用いることもできる。例えば、セラミックスにより構成された多孔体や、発砲金属等の金属により構成された多孔体を用いることができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…空気供給口、１２…空気排出口、１３…水素ガス供給口、
１４…反応阻害物質排出口、２１…空気供給経路、２２…空気排出経路、
２３…ポンプ、２４…電動モータ、２５…エアークリーナ、
２６…空気調圧弁、２７…加湿器、２８…触媒燃焼装置、
３１…水素ガス供給経路、３２…反応阻害物質排出経路、３３…水素ボンベ、
３４…水素調圧弁、３５…水素ガス供給経路開閉弁、３６…気水分離器、
３７…エンドモジュール、３８…反応阻害物質排出経路開閉弁、
４１…水素室、４２…負圧室、４３…膜、
５１…ベンチュリ管、５２…絞り部。

Claims (7)

1. 燃料極に供給された水素と、酸化剤極に供給された酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料極に水素ガスを供給するための水素ガス供給経路（３１）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料極から反応阻害物質を排出するための反応阻害物質排出経路（３２）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料電池（１０）の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給経路（２１）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料電池（１０）の酸化剤極から未反応の酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出経路（２２）と、
   前記酸化剤ガス供給経路（２１）内に配置され、前記燃料電池（１０）に酸化剤ガスを送るためのポンプ（２３）とを備える燃料電池（１０）システムであって、
   前記反応阻害物質排出経路（３２）における前記燃料電池（１０）に接続されている側と反対側の端部（３２ａ）が、前記酸化剤ガス供給経路（２１）のうち、前記ポンプ（２３）よりも前記ポンプ（２３）の酸化剤ガス吸入側の部位に、接続されており、
   前記反応阻害物質排出経路（３２）内を流れる前記反応阻害物質の流量を減少させるように調整する調整手段（４３）が、前記反応阻害物質排出経路（３２）内に配置されており、
   前記調整手段（４３）は、前記反応阻害物質を透過するとともに、前記反応阻害物質の流れに対して抵抗の働きを有する高分子膜であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料極に供給された水素と、酸化剤極に供給された酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料極に水素ガスを供給するための水素ガス供給経路（３１）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料極から反応阻害物質を排出するための反応阻害物質排出経路（３２）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料電池（１０）の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給経路（２１）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料電池（１０）の酸化剤極から未反応の酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出経路（２２）と、
   前記酸化剤ガス供給経路（２１）内に配置され、前記燃料電池（１０）に酸化剤ガスを送るためのポンプ（２３）とを備える燃料電池（１０）システムであって、
   前記反応阻害物質排出経路（３２）における前記燃料電池（１０）に接続されている側と反対側の端部（３２ａ）が、前記酸化剤ガス供給経路（２１）のうち、前記ポンプ（２３）よりも前記ポンプ（２３）の酸化剤ガス吸入側の部位に、接続されており、
   前記反応阻害物質排出経路（３２）内を流れる前記反応阻害物質の流量を減少させるように調整する調整手段が、前記反応阻害物質排出経路（３２）内に配置されており、
   前記調整手段は、セラミックスもしくは金属製であって、前記反応阻害物質を透過するとともに、前記反応阻害物質の流れに対して抵抗の働きを有する多孔体であることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記調整手段（４３）は、前記反応阻害物質が天地方向の上側から前記調整手段（４３）に入り、前記反応阻害物質が天地方向の下側に向かって前記調整手段（４３）を透過するように、配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記反応阻害物質排出経路（３２）のうち、前記調整手段（４３）よりも前記燃料電池（１０）側の部位（３２ｂ）と、前記調整手段（４３）よりも前記酸化剤ガス供給経路側（２１）の部位（３２ｃ）との圧力差を測定する測定手段（４４）と、
   前記圧力差を測定する測定手段の測定結果に応じて、前記反応阻害物質排出経路（３２）を開閉する開閉弁（３８）とを備え、
   測定した差圧が正常の場合、前記開閉弁（３８）が開弁し、測定した差圧が正常時よりも小さい場合に、前記開閉弁（３８）が閉弁するようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤ガス供給経路（２１）内のうち、前記反応阻害物質排出経路（３２）が接続された部位（３２ａ）から前記燃料電池（１０）と接続された部位までの間に、触媒燃焼装置（２８）を配置したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記反応阻害物質排出経路（３２）内のうち、前記燃料電池（１０）と接続された部位から前記調整手段（４３）までの間に、気体と水とを分離する気水分離器（３６）を配置したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 他の部位（５３）よりも酸化剤ガスを高速に流すことで、前記酸化剤ガス供給経路（２１）内の圧力よりも圧力を低くする負圧発生手段（５１）が、前記酸化剤ガス供給経路（２１）の前記ポンプ（２３）よりも前記ポンプ（２３）の吸入側の部位に配置されており、前記反応阻害物質排出経路（３２）における前記燃料電池に接続されている側と反対側の端部（３２ａ）は、前記負圧発生手段（５１）に接続されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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