JP5071843B2

JP5071843B2 - 水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システム

Info

Publication number: JP5071843B2
Application number: JP2007090391A
Authority: JP
Inventors: 知正小田; 美佳子毛利; 貞夫谷川; 哲月岡; 忠洋百留
Original assignee: Japan Steel Works Ltd; Japan Agency for Marine Earth Science and Technology
Current assignee: Japan Steel Works Ltd; Japan Agency for Marine Earth Science and Technology
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008251312A

Description

この発明は、水素と酸素との反応によって発電する燃料電池を有する、水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムに関するものである。

水素と酸素との反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムは、クリーンに発電できるシステムとしての特徴を有している。この燃料電池では、一般的に燃料電池の特にアノード側で、水素の継続的な供給によって同スタック内に水分などの不純物が次第に蓄積されて発電効率が低下するため、この不純物を取り除く目的で、燃料電池の発電に必要な水素量以上の水素を供給するいわゆる”水素パージ”と呼ばれる行程が、定期的若しくは燃料電池セル電圧の低下をトリガとして実施される。この際には、カソード側に酸化剤を多く供給してパージを行うこともある。酸化剤には一般的に空気が使用されるため、開放系で使用される燃料電池システムではパージした酸化剤は大気への排気が可能である。ただし、水素はそのまま系外に放出すると危険性を伴うため、何らかの処理が必要となる。

従来この種の装置としては、特許文献１で提案されているものがある。
該装置の概略を図７に基づいて説明する。燃料電池４に燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路３２と、燃料電池で反応しなかった未反応水素を系外に排出する未反応水素排出流路３３と未反応水素を電気化学的に酸化する電気化学反応器３４とが接続されている。一方、燃料電池のカソード側には空気流路６と、カソード側で水素と空気が反応して排ガスを排出する排気管路８とが接続されている。
次に上記システムについて簡単に説明する。水素供給流路３２から導入される水素と空気流路６から導入される空気によって燃料電池４は発電が行われる。燃料電池４で発電が行われなかった水素は、未反応水素排出流路３３により系外に排出される。電気化学反応器３４は、未反応水素排出流路３３により供給された水素と、空気流路６から分岐された吸気空路３６により供給された空気とを、直流電源３４ｄを用いて電気化学的に酸化する。３４で酸化できなかったガスのうち、アノード側のガスは排気路３４ｅより、カソード側のガスは排気路３３より系外へ排出する構成としている。

上記提案装置では、燃料電池から排出される水素を電気化学反応器によって大半を酸化処理できるため、系外に排出される水素量は極めて少量となり、問題のないレベルとなる。しかし、上記提案装置では、以下に示す問題点を有している。
１）電気化学反応器で電力を消費すること、電力を発生する場合でも電力の再利用が行われておらず、結果としてシステムの効率が下がることが懸念される。
２）電気化学反応器で酸化できなかったガスが、排気路により排出されている。
屋外のような開放空間では、ガスが蓄積されず問題とならないが、例えば船舶などのいわゆる閉鎖空間では空間内にガスが蓄積される。排気ガス中には極僅かであるが可燃性ガスが含まれており、安全性の点で問題となる。また、燃料ガスを発電に使用せずに外部へ排出するため、システムの効率が低下する。
３）電気化学反応器のカソード側の空気と燃料電池の発電用空気を共用しているため、これらの流量や圧力を調整するため、新たな制御機構や制御器が必要となり、結果としてシステムが複雑化し、効率が低下する。
４）電気化学反応器で電力を取り出すタイミングについて明記されておらず、例えば電気化学反応器に水素が無い状態で発電することも考えられ、その場合、反応器に使用している電極が劣化して発電不能になる。
５）電気化学反応器で反応する水素／空気量の調整がされておらず、水素量が多い／空気量が少ない場合、多量の水素が回収されずに外部へ放出することが予想される。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、排ガスを発生させることなく閉鎖系での使用を可能にし、さらには効率よく稼働させることができる水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

すなわち、本発明の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムのうち請求項１記載の発明は、水素と酸素の電気化学的な反応により発電する燃料電池のシステムであって、主燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応水素を排出する未反応水素排出経路と、前記主燃料電池のカソード側に酸素を供給する酸素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応酸素を酸素パージ以外に系外に放出することなく前記主燃料電池のカソード側に戻す酸素循環経路と、前記酸素循環経路を流通する酸素の少なくとも一部を前記酸素パージする酸素パージ経路と、該酸素パージ経路に介設されて該酸素パージ経路を流れる酸素を貯蓄する酸素バッファタンクと、前記未反応水素排出経路から導入される水素と前記酸素パージ経路から導入される酸素の電気化学的な反応により発電を行う水素回収燃料電池と、該水素回収燃料電池で回収されなかった水素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収水素ガス循環経路と、該未回収水素ガス循環経路に介設されて前記水素ガス中の不純物を取り除く水素側吸着フィルタと、前記水素回収燃料電池で回収されなかった酸素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収酸素ガス循環経路と、該未回収酸素ガス循環経路に介設されて前記酸素ガス中の不純物を取り除く酸素側吸着フィルタとを備えることを特徴とする。

請求項２記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムの発明は、水素と酸素の電気化学的な反応により発電する燃料電池のシステムであって、主燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応水素を水素パージ以外に系外に放出することなく前記主燃料電池のアノード側に戻す水素循環経路と、該水素循環経路を流通する水素の少なくとも一部を前記水素パージする水素パージ経路と、前記主燃料電池のカソード側に酸素を供給する酸素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応酸素を酸素パージ以外に系外に放出することなく前記燃料電池のカソード側に戻す酸素循環経路と、該酸素循環経路を流通する酸素の少なくとも一部を前記酸素パージする酸素パージ経路と、該酸素パージ経路に介設されて該酸素パージ経路を流れる酸素を貯蓄する酸素バッファタンクと、前記水素パージ経路から導入された水素と前記酸素パージ経路から導入された酸素の電気化学的な反応により発電を行う水素回収燃料電池と、該水素回収燃料電池で回収されなかった水素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収水素ガス循環経路と、該未回収水素ガス循環経路に介設されて前記水素ガス中の不純物を取り除く水素側吸着フィルタと、前記水素回収燃料電池で回収されなかった酸素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収酸素ガス循環経路と、該未回収酸素ガス循環経路に介設されて前記酸素ガス中の不純物を取り除く酸素側吸着フィルタとを備えることを特徴とする。

請求項３記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムの発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記未反応水素排出経路または前記水素パージ経路に、これら経路を流れる未反応水素またはパージ水素を貯蓄する水素バッファタンクが介設されていることを特徴とする。

請求項４記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムの発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記未反応水素排出経路または前記水素パージ経路に、電磁弁並びに圧力センサーを備えており、該圧力センサー値の値がある一定値以上のときに前記水素回収燃料電池から電力を取り出すことを特徴とする。

請求項５記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムの発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記水素回収燃料電池で発生した電力を、燃料電池システムの補機の電力として使用することを特徴とする。

本発明における燃料電池としては、例えば、固体高分子形燃料電池を用いることができ、一般的にアノード、カソード及び高分子電解質膜で構成されている。アノード側に水素を含んだガス、カソード側に酸素を含んだガスを供給することにより発電が行われる。一般的にアノード側には純水素・カソード側には空気が用いられることが多いが、本発明では閉鎖空間での利用も考慮に入れ、アノード側は純水素、カソード側は純酸素での供給とするのが望ましい。燃料電池の三層界面での反応において、アノード側では水素以外のガス成分、カソード側では酸素以外のガス成分は反応に寄与せず、これらの不純ガス成分は高分子電解質膜及びセパレータの流路に蓄積され、発電反応に対して悪影響を及ぼす。この影響を防ぐために、定常的若しくは間欠的に主燃料電池の発電に必要とする流量以上のガスを流し、そのガスと一緒に不純ガス成分を系外へ排出（パージ）する。これらのガスは、水素回収燃料電池に供給される。

水素回収燃料電池では、主燃料電池のアノード側から排出された水素を多く含んだガス、カソード側から排出された酸素を多く含んだガスを使用して発電を行い、取り出した電力を燃料電池システムの補機（例えば、ポンプ、弁など）に再利用することができる。また、水素回収燃料電池では、その反応の機構上、全てのガスを回収できないので、回収できなかったガスのうち、不純物は吸着フィルタに吸着させ、残りのガス（水素・酸素）は再度循環させることで系外へのガス放出を無くすことができる。

本発明の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムによれば、水素と酸素の電気化学的な反応により発電する燃料電池のシステムであって、主燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応水素を排出する未反応水素排出経路と、前記主燃料電池のカソード側に酸素を供給する酸素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応酸素を酸素パージ以外に系外に放出することなく前記主燃料電池のカソード側に戻す酸素循環経路と、前記酸素循環経路を流通する酸素の少なくとも一部を前記酸素パージする酸素パージ経路と、該酸素パージ経路に介設されて該酸素パージ経路を流れる酸素を貯蓄する酸素バッファタンクと、前記未反応水素排出経路から導入される水素と前記酸素パージ経路から導入される酸素の電気化学的な反応により発電を行う水素回収燃料電池と、該水素回収燃料電池で回収されなかった水素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収水素ガス循環経路と、該未回収水素ガス循環経路に介設されて前記水素ガス中の不純物を取り除く水素側吸着フィルタと、前記水素回収燃料電池で回収されなかった酸素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収酸素ガス循環経路と、該未回収酸素ガス循環経路に介設されて前記酸素ガス中の不純物を取り除く酸素側吸着フィルタとを備え、また、他の形態として主燃料電池で反応しなかった未反応水素を水素パージ以外に系外に放出することなく前記主燃料電池のアノード側に戻す水素循環経路と、該水素循環経路を流通する水素の少なくとも一部を前記水素パージする水素パージ経路とを備え、該水素パージ経路が水素回収燃料電池に接続されているので、以下の効果が得られる。

１）未反応水素（若しくはパージ水素）流路中に水素回収燃料電池を設置し、水素回収燃料電池には、発生した電力を再利用する機構を設置したので、未反応水素を電力に変換でき、結果として高いシステム効率が得られる。また、電力の再利用を図るため、例えば主燃料電池の性能が安定せず未反応水素が多い（パージ動作が多くなる）場合でも、水素回収燃料電池で電力を生成するため、システムの効率低下につながらないという効果がある。
２）水素回収燃料電池で回収できなかったガスのうち、不純物は吸着フィルタに吸着させ、残りのガスは再度循環させることで系外へのガス放出を無くすようにしたので、安全なシステムが得られる。
３）水素回収燃料電池へ供給するガスは、主燃料電池で反応しなかった未反応ガスであり、主燃料電池の反応用ガスを使用しないため、複雑な機構を必要としない、結果として簡素化された高効率なシステムが得られる。
４）水素・酸素ガスの圧力を水素・酸素ライン中に設置した圧力センサーで検知し、その圧力をトリガーとして、水素回収燃料電池から電力を取り出すタイミングを決定する構成が可能であり、水素回収燃料電池から効率的に電気を取り出せる。
５）酸素ラインにバッファタンクを設置し、バッファタンクにある一定量、酸素を貯蓄することで常に酸素リッチな状態をつくり、水素回収燃料電池において水素を積極的に反応させる構成としたため、外部へ水素を放出しない安全なシステムが得られる。

以下、この発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
図１において、１００はセルスタック型の主燃料電池、１０１／１０２／１０３は同スタックを構成しているアノード／カソード／高分子電解質膜を示す。該アノード１０１のガス入口側には主燃料電池１００へ水素を供給する水素供給手段１１０が水素供給路１１１によって接続され、前記カソード１０２のガス入口側には主燃料電池１００へ酸素を供給する酸素供給手段１２０が酸素供給路１２１で接続されている。
アノード１０１のガス出口側には、主燃料電池１００において発電で消費されなかった水素が排出される未反応水素排出経路１１２が接続されており、該未反応水素排出経路１１２中には、水素ガス量を制御するための制御弁１１３、水素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー１１７が設置されており、該未反応水素排出経路１１２の下流端は、水素回収燃料電池１５０におけるアノード１５１のガス入口側に接続されている。

一方、主燃料電池１００のカソード１０２のガス出口側には、主燃料電池１００において発電で消費されなかった酸素が排出される未反応酵素排出経路１２２が接続されており、該未反応酵素排出経路１２２中には、ガスを昇圧して再度、酸素供給経路１２１に戻すための循環ポンプ１２４が設置されている。該未反応酵素排出経路１２２は、循環ポンプ１２４の後段で酸素循環経路１２５と酸素パージ経路１２６に分岐されている。酸素循環経路の他端は、前記酸素供給路１２１に接続されている。
酸素パージ経路１２６中には、酸素ガス量を制御するための制御弁１２３、酸素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー１２７が設置されており、該酸素パージ経路１２６の下流端は、酸素バッファタンク１４５、パージ酸素供給経路１４１を経由して、水素回収燃料電池１５０におけるカソード１５２のガス入口側につながっている。

水素回収燃料電池１５０は、アノード１５１／カソード１５２／高分子電解質膜１５３で構成されている。水素回収燃料電池１５０におけるアノード１５１のガス出口側には水素回収燃料電池１５０で回収されなかった水素が排出される未回収水素排出経路１３２が接続されており、未回収水素排出経路１３２中には、水素以外の不純物を吸着させる水素側吸着フィルタ１３３、水素を昇圧する水素循環ポンプ１３４が設置されている。また、カソード１５２のガス出口側には水素回収燃料電池１５０で回収されなかった酸素が排出される未回収酸素排出経路１４２が接続されており、未回収酸素排出経路１４２中には、酵素以外の不純物を吸着させる酸素側吸着フィルタ１４３、酸素ガスを昇圧する酸素循環ポンプ１４４が設置されている
水素回収燃料電池１５０において、水素／酸素反応により発生した電力のラインは、スイッチ１６１を通して蓄電装置１６２に接続され、さらにスイッチ１６３を通して燃料電池の補機（例えばポンプ、弁など）１６４につながっている。

次に上記システムの動作について説明する。
主燃料電池１００において、水素が水素供給手段１１０及び水素供給経路１１１を通してアノード側１０１に導入され、酸素が酸素供給手段１２０及び酸素供給経路１２１を通してカソード側１０２に導入されることにより、カソード１０２からアノード１０１に向かう電流が発生し、電力を取り出すことが可能となる。一般的に燃料電池では、水素／酸素以外の不純物は反応に寄与せず、発電に悪影響を及ぼす。一方、水素供給手段１１０および酸素供給手段１２０には少なからず不純物が含まれている。この不純物を系外へ排出するため、未反応水素排出経路１１２と酸素排出経路１２２が設置されている。

未反応水素排出経路１１２より放出された水素ガスは、制御弁１１３で制御された後、水素回収燃料電池１５０のアノード１５１側へ導入される。一方、未反応酸素排出経路１２２から分岐された酸素パージ経路１２６に放出された酸素ガスは、制御弁１２３で制御された後、酸素バッファタンク１４５で一度貯蓄される。貯蓄された後、パージ酸素供給経路１４１を通り水素回収燃料電池１５０のカソード１５２側へ導入される。なお、制御弁１１３、制御弁１２３は、例えば主燃料電池１００の電圧やスタックを構成している各セルの電圧の設定値などにより開閉する機構が設けられている。例えば、図２に示すように、セル／スタックの電圧がＶ１まで低下すると制御弁１１３、１２３を開き、その後、電圧がＶ２まで上昇すると制御弁１１３、１２３を閉じる動作を行う。

水素回収燃料電池１５０では、導入された水素と酸素により発電が行われ、電力が発生する。電力は、図３に示すように、圧力センサ−１１７の値がある一定値Ｐ１になったとき、スイッチ１６１を閉じる（つなぐ）ことにより、蓄電装置１６２に蓄電することができ、圧力センサーが所定値以下に達したときにスイッチ１６１を開く（切る）。水素回収燃料電池１５０では、その反応の機構上、全てのガスを回収できないので、回収できなかったガスは、未回収水素排出経路１３２、未回収酸素排出経路１４２を通り、排出される。未回収水素は、未回収水素排出経路１３２中の水素側吸着フィルタ１３３において、不純物が除去された後、同経路中の循環ポンプ１３４で昇圧され、未反応水素排出経路１１２に戻る。未回収酸素は、未回収酸素排出経路１４２中の酸素側吸着フィルタ１４３において、不純物を除去された後、同経路中の循環ポンプ１４４で昇圧され、酸素バッファタンク１４５に戻されて、水素回収燃料電池１５０への導入に備えられる。したがって、システムからのガスの排出を行うことなく稼働させることができる。

（実施形態２）
以下、この発明の実施形態２を図４に基づいて説明する。なお、図４において図１と同一の符号は、特に断らない限り、図１で示す符号の構成要素と同一の構成要素を示すものである。
図４において、１００はセルスタック型の燃料電池、１１０／１２０は燃料電池へ水素／酸素を供給する水素／酸素供給手段、１１１／１２１は燃料電池への水素／酸素供給経路、１１２は燃料電池において発電で消費されなかった水素が排出される未反応水素排出経路を示す。同経路中には、水素ガス量を制御するための制御弁１１３、水素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー１１７が設置され、同経路は水素バッファタンク１３５、パージ水素供給経路１３１を経由して、水素回収燃料電池１５０のアノード１５１側につながっている。一方、１２２は燃料電池において発電で消費されなかった酸素が排出される未反応酸素排出経路であり、同経路中には、ガスを昇圧して再度供給経路１２１に戻すための循環ポンプ１２４が設置されている。同経路は、循環ポンプ１２４の後段で酸素循環経路１２５と酸素パージ経路１２６に分岐されており、酸素循環経路１２５の他端は、酸素供給路１２１に接続されている。酸素パージ経路１２６中には、酸素ガス量を制御するための制御弁１２３、酸素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー１２７を設置しており、同経路は酸素バッファタンク１４５、パージ酸素供給経路１４１を経由して、水素回収燃料電池１５０のカソード１５２側につながっている。１３２／１４２は燃料電池１５０で回収できなかった水素／酸素が排出される未回収水素／酸素排出経路である。未回収水素排出経路１３２中には、水素以外の不純物を吸着させる吸着フィルタ１３３、水素ガスを昇圧する水素循環ポンプ１３４が設置され、未回収酸素排出経路１４２中には、酸素以外の不純物を吸着させる吸着フィルタ１４３、酸素ガスを昇圧する酸素循環ポンプ１４４が設置されている。水素回収燃料電池１５０において、水素／酸素反応により発生した電力のラインは、スイッチ１６１を通して蓄電装置１６２へつながり、更にスイッチ１６３を通して主燃料電池１００の補機１６４につながっている。

次に動作について説明する。主燃料電池１００において、水素が水素供給手段１１０及び水素供給経路１１１を通してアノード側１０１に導入され、酸素が酵素供給手段１２０及び酸素供給経路１２１を通してカソード側１０２に導入されることにより、カソード１０２からアノード１０１に向かう電流が発生し、電力を取り出すことが可能となる。未反応水素排出経路１１２より放出された水素ガスは、水素バッファタンク１３５で一度貯蓄された後、パージ水素供給経路１３１を通り水素回収燃料電池１５０のアノード１５１側へ導入される。一方、未反応酸素排出経路１２２から分岐された酸素パージ経路１２６より放出された酸素ガスは、制御弁１２３で制御された後、酸素バッファタンク１４５で一度貯蓄される。貯蓄された後、パージ酸素供給経路１４１を通り水素回収燃料電池１５０のカソード１５２側へ導入される。なお、制御弁１１３、１２３は、前記実施形態２と同様に、例えば主燃料電池１００のスタックの電圧やスタックを構成している各セルの電圧の設定値などにより開閉する機構を設けている（図２）。

水素回収燃料電池１５０では、導入された水素と酸素により発電が行われ、電力が発生する。電力は、実施形態１と同様に、例えば図３のように、圧力センサー１１７の値がある一定値Ｐ１になった時、スイッチ１６１を閉じることにより、蓄電装置１６２に蓄電できる。水素回収燃料電池１５０では、その反応の機構上、全てのガスを回収できないので、回収できなかったガスは、未回収水素排出経路１３２、酸素排出経路１４２を通り、排出される。未回収水素は、未回収水素排出経路１３２中の水素側吸着フィルタ１３３において、不純物を除去した後、同経路中の循環ポンプ１３４で昇圧され、水素バッファタンク１３５に戻る。未回収酸素は、未回収酸素排出経路１４２中の酸素側吸着フィルタ１４３において、不純物を除去された後、同経路中の循環ポンプ１４４で昇圧され、酸素バッファタンク１４５に戻る。

（実施形態３）
以下、この発明の実施形態３を図５に基づいて説明する。なお、図５において図１と同一の符号は、特に断らない限り、図１で示す符号の構成要素と同一の構成要素を示すものである。
図５において、１００は燃料電池スタック、１１０／１２０は燃料電池へ水素／酸素を供給する水素／酸素供給手段、１１１／１２１は燃料電池への水素／酸素供給経路、１１２／１２２は燃料電池において発電で消費されなかった水素／酸素が排出される未反応水素／酸素排出経路を示す。未反応水素排出経路１１２中には、ガスを昇圧して再度水素供給経路１１１に戻すための循環ポンプ１１４が設置されている。同経路は、循環ポンプ１１４の後段で水素循環経路１１５と水素パージ経路１１６に分岐されており、水素循環経路１１５の他端は、水素供給経路１１１に接続されている。

水素パージ経路１１６中には、水素ガス量を制御するための制御弁１１３、水素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー１１７を設置しており、同経路は水素回収装置１５０のアノード１５１側につながっている。未反応酸素排出経路１２２中には、ガスを昇圧して再度供給経路１２１に戻すための循環ポンプ１２４が設置されている。同経路は、循環ポンプ１２４の後段で酸素循環経路１２５と酸素パージ経路１２６に分岐されており、酸素循環経路１２５の他端は酸素供給路１２１に接続されている。酸素パージ経路１２６中には、酸素ガス量を制御するための制御弁１２３、酵素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー１２７が設置されており、同経路は酸素バッファタンク１４５、パージ酸素供給経路１４１を経由して、水素回収燃料電池１５０のカソード１５２側につながっている。１３２／１４２は１５０で回収できなかった水素／酸素が排出される未回収水素／酸素排出経路である。未回収水素排出経路１３２中には、水素以外の不純物を吸着させる水素側吸着フィルタ１３３、水素ガスを昇圧する水素循環ポンプ１３４が設置されており、未回収酸素排出経路１４２中には、酸素以外の不純物を吸着させる酸素側吸着フィルタ１４３、酸素ガスを昇圧する酸素循環ポンプ１４４が設置されている。
水素回収燃料電池１５０において、水素／酸素反応により発生した電力のラインは、スイッチ１６１を通して蓄電装置１６２へつながり、更にスイッチ１６３を通して主燃料電池１００の補機１６４につながっている。

次に動作について説明する。主燃料電池１００において、水素が水素供給手段１１０及び水素供給経路１１１を通してアノード側１０１に導入され、酸素が酵素供給手段１２０及び酸素供給経路１２１を通してカソード側１０２に導入されることにより、カソード１０２からアノード１０１に向かう電流が発生し、電力を取り出すことが可能となる。未反応水素排出経路１１２から分岐された水素パージ経路１１６に放出された水素ガスは、制御弁１１３で制御された後、水素回収燃料電池１５０のアノード１５１側へ導入される。一方、未反応酸素排出経路１２２から分岐された酸素パージ経路１２６に放出された酸素ガスは、制御弁１２３で制御された後、酸素バッファタンク１４５で一度貯蓄される。貯蓄された後、パージ酸素供給経路１４１を通り水素回収燃料電池１５０のカソード１５２側へ導入される。なお、制御弁１１３、１２３は、前記実施形態１と同様に、例えば主燃料電池１００のスタック電圧やスタックを構成している各セルの電圧の設定値などにより開閉する機構を設けている（図２）。水素回収燃料電池１５０では、導入された水素と酸素により発電が行われ、電力が発生する。電力は、圧力センサー１１７の値がある一定値Ｐ１になった時、スイッチ１６１を閉じることにより、蓄電装置１６２に蓄電することできる（図３）。水素回収燃料電池１５０では、その反応の機構上、全てのガスを回収できないので、回収できなかったガスは、未回収水素排出経路１３２、未回収酸素排出経路１４２を通り、排出される。未回収水素は、未回収水素排出経路１３２中の水素側吸着フィルタ１３３において、不純物を除去された後、同経路中の循環ポンプ１３４で昇圧され、水素パージ経路１１６に戻る。未回収酸素は、未回収酸素排出経路１４２中の酸素側吸着フィルタ１４３において、不純物を除去された後、同経路中の循環ポンプ１４４で昇圧され、酸素バッファタンク１４５に戻る。

以下、この発明の実施形態４を図６に基づいて説明する。なお、図６において図１、図４、５と同一の符号は、特に断らない限り、前記符号が各図で示す構成要素と同一の構成要素を示している。
図６において、１００は燃料電池スタック、１１０／１２０は燃料電池へ水素／酸素を供給する水素／酸素供給手段、１１１／１２１は燃料電池への水素／酸素供経路、１１２／１２２は燃料電池において発電で消費されなかった水素／酸素が排出される未反応水素／酸素排出経路を示す。未反応水素排出経路１１２中には、ガスを昇圧して再度水素供給経路１１１に戻すための循環ポンプ１１４が設置されている。また、同経路は、循環ポンプ１１４の後段で水素循環経路１１５と水素パージ経路１１６に分岐されており、水素循環経路１１５の他端は、水素供給路１１１に接続されている。水素パージ経路１１６中には、水素ガス量を制御するための制御弁１１３、水素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー１１７を設置しており、同経路は水素バッファタンク１３５、パージ水素供給経路１３１を経由して、水素回収装置１５０のアノード１５１側につながっている。未反応酸素排出経路１２２中には、ガスを昇圧して再度供給経路１２１に戻すための循環ポンプ１２４が設置されている。また、同経路は、循環ポンプ１２４の後段で酸素循環経路１２５と酸素パージ経路１２６に分岐されている。酸素パージ経路１２６中には、酸素ガス量を制御するための制御弁１２３を設置しており、同経路は酸素バッファタンク１４５、パージ酸素供給経路１４１を経由して、水素回収装置１５０のカソード１５２側につながっている。１３２／１４２は１５０で回収できなかった水素／酸素が排出される未回収水素／酸素排出経路である。１３２／１４２中には、水素／酸素以外の不純物を吸着させる吸着フィルタ１３３／１４３、水素／酸素ガスを昇圧する水素／酸素循環ポンプ１３４／１４４が設置されている。水素回収燃料電池１５０において、水素／酸素反応により発生した電力のラインは、スイッチ１６１を通して蓄電装置１６２へつながり、更にスイッチ１６３を通して燃料電池の補機１６４につながっている。

次に動作について説明する。燃料電池スタック１００において、水素が水素供給手段１１０及び水素供給経路１１１を通してアノード側１０１に、酸素が酸素供給手段１２０及び酸素供給経路１２１を通してカソード側１０２に導入されることにより、カソード１０２からアノード１０１に向かう電流が発生する。未反応水素排出経路１１２から分岐された水素パージ経路１１６より放出されたガスは、制御弁１１３で制御された後、水素バッファタンク１３５で一度貯蓄される。貯蓄された後、パージ水素供給経路１３１を通り、水素回収装置のアノード側１５１へ導入される。一方、未反応酸素排出経路１２２から分岐された酸素パージ経路１２６より放出されたガスは、制御弁１２３で制御された後、酸素バッファタンク１４５で一度貯蓄される。貯蓄された後、パージ酸素供給経路１４１を通り水素回収装置のカソード側１５２へ導入される。なお、制御弁１１３、１２３は、実施形態１と同様に、例えば燃料電池スタックの電圧やスタックを構成している各セルの電圧の設定値などにより開閉する機構を設けている（図２）。水素回収燃料電池１５０では、導入された水素と酸素により発電が行われ、電力が発生する。電力は、実施形態１と同様に、圧力センサー１１７の値がある一定値Ｐ１になった時、スイッチ１６１を開けることにより、蓄電装置１６２に蓄電することできる（図３）。水素回収燃料電池１５０では、その反応の機構上、全てのガスを回収できないので、回収できなかったガスは、未回収水素／酸素排出経路１３２／１４２を通り、排出される。未回収水素は、未回収水素排出経路１３２中の水素側吸着フィルタ１３３において、不純物を除去した後、同経路中の循環ポンプ１３４で昇圧され、水素バッファタンク１３５に戻る。未回収酸素は、未回収酸素排出経路１４２中の酸素側吸着フィルタ１４３において、不純物を除去された後、同経路中の循環ポンプ１４４で昇圧され、酸素バッファタンク１４５に戻る。

本発明の実施形態１に係る燃料電池システムを示すフロー図である。同じく、セル／スタックの電圧と電磁弁の経時変化を表すグラフである。同じく、圧力センサー１１７とスイッチ１６１の経時変化を表すグラフ本発明の実施形態２に係る燃料電池システムを示すフロー図である。本発明の実施形態３に係る燃料電池システムを示すフロー図である。本発明の実施形態４に係る燃料電池システムを示すフロー図である。従来の燃料電池システムを示すフロー図である。

符号の説明

１００主燃料電池
１０１アノード
１０２カソード
１１０水素供給手段
１１１水素供給路
１１２未反応水素排出経路
１１３制御弁
１１５水素循環経路
１１７圧力センサー
１２０酸素供給手段
１２１酸素供給路
１２２未反応酸素排出経路
１２３制御弁
１２５酸素循環経路
１２６酸素パージ経路
１２７圧力センサー
１３１パージ水素供給経路
１３２未回収水素排出経路
１３３水素側吸着フィルタ
１３５水素バッファタンク
１４１パージ酸素供給経路
１４２未回収酸素排出経路
１４３酸素側吸着フィルタ
１４５酸素バッファタンク
１５０水素回収燃料電池
１５１アノード
１５２カソード
１６２蓄電装置
１６４補機

Claims

水素と酸素の電気化学的な反応により発電する燃料電池のシステムであって、主燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応水素を排出する未反応水素排出経路と、前記主燃料電池のカソード側に酸素を供給する酸素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応酸素を酸素パージ以外に系外に放出することなく前記主燃料電池のカソード側に戻す酸素循環経路と、前記酸素循環経路を流通する酸素の少なくとも一部を前記酸素パージする酸素パージ経路と、該酸素パージ経路に介設されて該酸素パージ経路を流れる酸素を貯蓄する酸素バッファタンクと、前記未反応水素排出経路から導入される水素と前記酸素パージ経路から導入される酸素の電気化学的な反応により発電を行う水素回収燃料電池と、該水素回収燃料電池で回収されなかった水素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収水素ガス循環経路と、該未回収水素ガス循環経路に介設されて前記水素ガス中の不純物を取り除く水素側吸着フィルタと、前記水素回収燃料電池で回収されなかった酸素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収酸素ガス循環経路と、該未回収酸素ガス循環経路に介設されて前記酸素ガス中の不純物を取り除く酸素側吸着フィルタとを備えることを特徴とする、水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システム。
水素と酸素の電気化学的な反応により発電する燃料電池のシステムであって、主燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応水素を水素パージ以外に系外に放出することなく前記主燃料電池のアノード側に戻す水素循環経路と、該水素循環経路を流通する水素の少なくとも一部を前記水素パージする水素パージ経路と、前記主燃料電池のカソード側に酸素を供給する酸素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応酸素を酸素パージ以外に系外に放出することなく前記燃料電池のカソード側に戻す酸素循環経路と、該酸素循環経路を流通する酸素の少なくとも一部を前記酸素パージする酸素パージ経路と、該酸素パージ経路に介設されて該酸素パージ経路を流れる酸素を貯蓄する酸素バッファタンクと、前記水素パージ経路から導入された水素と前記酸素パージ経路から導入された酸素の電気化学的な反応により発電を行う水素回収燃料電池と、該水素回収燃料電池で回収されなかった水素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収水素ガス循環経路と、該未回収水素ガス循環経路に介設されて前記水素ガス中の不純物を取り除く水素側吸着フィルタと、前記水素回収燃料電池で回収されなかった酸素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収酸素ガス循環経路と、該未回収酸素ガス循環経路に介設されて前記酸素ガス中の不純物を取り除く酸素側吸着フィルタとを備えることを特徴とする、水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システム。
前記未反応水素排出経路または前記水素パージ経路に、これら経路を流れる未反応水素またはパージ水素を貯蓄する水素バッファタンクが介設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システム。
前記未反応水素排出経路または前記水素パージ経路に、電磁弁並びに圧力センサーを備えており、該圧力センサー値の値がある一定値以上のときに前記水素回収燃料電池から電力を取り出すことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システム。
前記水素回収燃料電池で発生した電力を、燃料電池システムの補機の電力として使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システム。