(57)【要約】    【課題】燃料電池のアノードオフガスを効率的に処理する。    【解決手段】燃料ガス排出管１１２に排出水素燃焼器１１５を接続するとともに、排出水素燃焼器１１５と空気供給管１２１とを空気分流管１２６により接続し、排出水素燃焼器１１５に対し、カソードへの供給前の空気を供給する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノード側の排出通路に設置され、アノードからの排出ガスであるアノードオフガスを空気との混合又は反応により処理する処理手段と、
この処理手段に対し、燃料電池のカソードへの供給前の空気を供給する供給手段と、を含んで構成される燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項２】
燃料電池のカソード側の導入通路に、カソードに対して空気を圧縮して供給する第１の空気供給手段を備える燃料電池に設けられ、
前記供給手段が、この第１の空気供給手段と、この第１の空気供給手段よりも下流で前記カソード側の導入通路から分岐して前記処理手段に接続する分岐通路とを含んで構成される請求項１に記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項３】
前記供給手段が、前記分岐通路おける空気の流量を制御する第１の流量制御弁を更に含んで構成される請求項２に記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項４】
前記供給手段が、前記処理手段に接続された、燃料電池のカソード側の導入通路とは独立に設けられた供給通路と、この供給通路に設置され、この供給通路を介して前記処理手段に空気を供給する第２の空気供給手段とを含んで構成される請求項１に記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項５】
燃料電池のカソードに供給される空気の流量を制御する第２の流量制御弁を更に含んで構成される請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項６】
前記処理手段と燃料電池のカソード側の排出通路とを接続し、前記処理手段による処理後のガスをこのカノード側の排出通路に合流させる接続通路を更に含んで構成される請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項７】
前記カノード側の排出通路に排気マフラーを備える燃料電池に設けられ、
前記接続通路が、前記カソード側の排出通路に対してこの排気マフラーよりも上流で接続する請求項６に記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項８】
前記接続通路に設置され、この接続通路から前記カノード側の排出通路への流れを許容する逆止弁を更に含んで構成される請求項６又は７に記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項９】
前記処理手段が、アノードオフガスを燃焼させて処理する燃焼器である請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項１０】
前記処理手段が、アノードオフガスの燃焼のための触媒と、この触媒をアノードオフガスの着火可能温度に加熱するヒータとを含んで構成される請求項９に記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項１１】
前記処理手段が、アノードオフガスを希釈させて処理する希釈ミキサーである請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項１２】
前記アノード側の排出通路におけるアノードオフガスの流量を検出する流量検出手段と、
この手段により検出されたアノードオフガスの流量をもとに、前記供給手段による前記処理手段への空気の供給量を制御する第１の制御手段とを更に含んで構成される請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項１３】
前記アノード側の排出通路と燃料電池のアノード側の導入通路とを接続し、アノードオフガスをこのアノード側の導入通路に還流させる還流通路と、
前記アノード側の排出通路におけるアノードオフガスの流量と、前記還流通路におけるアノードオフガスの流量との比を変化させる排出制御弁とを含んで構成される燃料電池に設けられる請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項１４】
燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
この手段により検出された燃料電池の運転状態をもとに、前記排出制御弁を制御する第２の制御手段とを更に含んで構成される請求項１３に記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項１５】
前記第２の制御手段は、前記排出制御弁による前記アノード側の排出通路の全閉状態からの開タイミングを、前記供給手段による前記処理手段への空気の供給タイミングを基準として比較的に早い第１のタイミングと、この第1のタイミングよりも遅い第２のタイミングとで切り換える請求項１４に記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【請求項１６】
前記第２の制御手段は、燃料電池の起動時又は停止時に、前記排出制御弁により前記アノード側の排出通路を開放させる請求項１４又は１５に記載の燃料電池のオフガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のオフガス処理装置に関し、詳細には、燃料電池のアノードからの排出ガスであるアノードオフガスを、大気への放出前に燃焼等により処理する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のアノードオフガスを処理するための装置として、次のものが知られている。すなわち、燃料電池のアノード側の排出通路に触媒を内蔵させた処理装置を設置するとともに、この処理装置にアノードオフガスと、カソードからの排出ガスであるカソードオフガスとを流入させ、カソードオフガス（正確には、カソードオフガス中に残る酸素）によりアノードオフガス中の排出水素を触媒上で燃焼させるものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−１６４９５１号公報（段落番号００１６〜００１８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この公知の処理装置には、次のような問題がある。すなわち、カソードオフガスは、発電反応の結果として酸素が減少しているうえ、発電生成水の添加により湿度が増大している。このため、カソードオフガスを処理装置に流入させた場合は、排出水素の燃焼に着火遅れが生じ、排出水素が未処理のまま大気中に放出されるおそれがあることである。
【０００４】
カソードオフガスによる場合の着火性を向上させるための方法として、触媒の予熱、カソードオフガスの予熱及びカソードオフガスからの水分離等が知られている。
ａ）触媒の予熱：
自己加熱機能を備えた電熱触媒が知られているが、加熱時にカソードオフガスにより熱が奪われるため、加熱のための消費エネルギーが大きく、効率的でない。また、酸素濃度が低いことから、カソードオフガスの導入量を多くする必要があり、このことが加熱をより非効率なものとしている。
【０００５】
ｂ）カソードオフガスの予熱：
カソードオフガスを燃焼器の排出ガスとの熱交換により加熱する方法が知られているが、（通常は、アノードオフガスを燃料電池に還流させており、）燃焼器へのアノードオフガスの導入が間欠的に行われる場合は、カソードオフガスを常に一定の加熱下に置くことができない。
【０００６】
ｃ）カソードオフガスからの水分離：
カソードオフガスから水を分離する手段として水蒸気交換膜及び液水トラップ等が知られているが、これらを使用しても、カソードオフガス中の水による影響を完全に排除することはできない。
また、カソードオフガスの流量は、本来、燃料電池の運転条件との関係で定められるべきものであるから、アノードオフガスの処理効率の観点からは、必ずしも最適なものではない。
【０００７】
本発明は、燃料電池のオフガス処理装置において、この装置に対する空気供給系の改善により、アノードオフガスを効率的に処理することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、燃料電池のオフガス処理装置に関する。本発明に係る装置は、燃料電池のアノード側の排出通路に、アノードからの排出ガスであるアノードオフガスを空気との混合又は反応により処理する処理手段を設置し、この処理手段に対し、燃料電池のカソードへの供給前の空気を供給する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、アノードオフガスの処理手段に燃料電池のカソードへの供給前の空気を供給することで、燃料電池の運転状態に拘わりなく最適な量の空気を供給することができる。また、供給される空気は、カソードオフガスと比較して酸素濃度が高く、かつ湿度が低いため、燃焼によりアノードオフガスを処理する場合は、アノードオフガスの着火性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システム（以下「発電システム」という。）１Ａの構成を示している。この発電システム１Ａには、本実施形態に係るオフガス処理装置が組み込まれている。
燃料電池１０１のアノードには、燃料ガス供給管１１１が接続されている。この燃料ガス供給管は、「アノード側の導入通路」を形成するものであり、この燃料ガス供給管１１１には、図示しない高圧水素タンクが接続されるとともに、圧力制御弁が設置されている。アノードには、この高圧水素タンクに貯蔵されている水素が所定の圧力に減圧された後、供給される。また、アノードには、燃料ガス排出管１１２が接続されている。この燃料ガス排出管１１２は、「アノード側の排出通路」を形成するものであり、この燃料ガス排出管１１２と燃料ガス供給管１１１とは、燃料ガス還流管１１３により接続されている。この燃料ガス還流管１１３は、「還流通路」を形成するものであり、アノードオフガスのうち所定の割合のものが、この燃料ガス還流管１１３を介してアノードに還流される。燃料ガス排出管１１２には、燃料ガス還流管１１３との接続部よりも下流に燃料ガス排出弁１１４が設置されている。この燃料ガス排出弁１１４は、「排出制御弁」に相当するものであり、この燃料ガス排出弁１１４により燃料ガス排出管１１２におけるアノードオフガスの流量が制御されることで、アノードオフガスのうちアノードに還流されるものと、次の排出水素燃焼器１１５に導入されるものとの比率が制御される。「処理手段」としての排出水素燃焼器１１５は、燃料ガス排出管１１２において、燃料ガス排出弁１１４よりも下流に設置されている。
【００１１】
他方、燃料電池１０１のカソードには、空気供給管１２１が接続されている。この空気供給管１２１は、「カソード側の導入通路」を形成するものであり、この空気供給管１２１には、コンプレッサ１２２（「第１の空気供給手段」に相当する。）が設置されている。カソードには、このコンプレッサ１２２により空気が圧縮されて供給される。また、カソードには、空気排出管１２３が接続されている。この空気排出管１２３は、「カソード側の排出通路」を形成するものである。空気供給管１２１及び空気排出管１２３には、カソードに供給される空気の流量を制御するための酸化ガス供給弁１２４，１２５が夫々設置されている。この２つの流量制御弁１２４，１２５は、「第２の流量制御弁」に相当するものである。なお、「第２の流量制御弁」として、本実施形態では、２つの流量制御弁１２４，１２５が設けられているが、これらのうちいずれかの流量制御弁１２４，１２５のみが設けられてもよい。空気供給管１２１には、酸化ガス供給弁１２４よりも上流に空気分流管１２６が接続されている。この空気分流管１２６は、「分岐通路」を形成するものであり、この空気分流管１２６は、排出水素燃焼器１１５に接続されている。また、空気分流管１２６には、空気供給弁１２７が設置されている。この空気供給弁１２７は、「第１の流量制御弁」に相当するものであり、この空気供給弁１２７により排出水素燃焼器１１５に供給される空気の流量が制御される。
【００１２】
排出水素燃焼器１１５は、導入されたアノードオフガス中の排出水素を燃焼により処理するものである。アノードオフガスの排出は、アノード系に蓄積した窒素及び水を系外に排出するために行われるが、窒素及び水以外に水素も排出されるため、この排出水素の処理が必要となる。排出水素燃焼器１１５には、入口から順に希釈エレメント１１５１、副触媒１１５２及び主触媒１１５３が設置されている。排出水素燃焼器１１５に導入された排出水素は、希釈エレメント１１５１により空気と充分に攪拌混合された後、下流の触媒１１５２，１１５３に供給される。副触媒１１５２は、自己加熱機能を備えた電熱触媒と呼ばれるもので、電極ｅ１，ｅ２に電圧をかけることにより発熱し、排出水素燃焼器１１５内を強制加熱する。他方、主触媒１１５３は、白金等の貴金属を担持しており、排出水素の燃焼促進を主な機能とする。
【００１３】
本実施形態では、空気排出管１２３に、オフガス温度の低減及び排気騒音の軽減のために排気マフラー１２８が設置されている。排出水素燃焼器１１５と空気排出管１２３とは、燃焼ガス排出管１２９によりこの排気マフラー１２８よりも上流で接続されている。この燃焼ガス排出管１２９は、「接続通路」を形成するものである。この燃焼ガス排出管１２９には、この燃焼ガス排出管１２９から空気排出管１２３への燃焼ガスの流れを許容する逆止弁１３０が設置されている。なお、この逆止弁１３０には、通路の開放及び遮断を切り換えるだけのシャットオフ弁の形態のものや、弁前後の圧力差に応じて動作する比例弁の形態のものを採用することができる。
【００１４】
燃料ガス排出弁１１４、酸化ガス供給弁１２４，１２５及び空気供給弁１２７等の動作は、コントロールユニット１５１により制御される。コントロールユニット１５１には、燃料電池１０１の運転状態検出信号が入力されるほか、温度センサ１６１により検出された燃焼器内温度Ｔｂが入力される。この温度センサ１６１は、燃焼器内温度Ｔｂとして、排出水素燃焼器１１５のうち触媒１１５２，１１５３が設けられる燃焼室の温度を検出するものである。燃料電池１０１の運転状態には、アノードに供給される水素含有燃料ガスの流量、カソードに供給される酸化ガス（ここでは、空気）の流量、及び燃料電池１０１の発生電流が含まれる。燃料ガスの供給流量は、燃料ガス供給管１１１に設置された流量センサ１６２により、酸化ガスの供給流量は、空気供給管１２１に設置された流量センサ１６３により、燃料電池１０１の発生電流は、燃料電池１０１の外部回路に設置された電流センサ１６４（電気負荷に流れる電流を検出する。）により夫々検出される。コントロールユニット１５１は、入力した情報をもとに、後述する水素排出処理及び起動燃焼処理を行う。
【００１５】
次に、コントロールユニット１５１の動作について、フローチャートにより説明する。
図２及び３は、水素排出処理ルーチンのフローチャートである。図２は、水素排出処理判定ルーチンを、図３は、水素排出処理実行ルーチンを示している。
水素排出処理判定ルーチンは、所定の周期（たとえば、１００ｍｓ）毎に実行される。このルーチンを示す図２において、Ｓ１０１では、燃料電池１０１が通常運転時にあるか否かを判定する。通常運転時にあるときは、Ｓ１０２へ進み、通常運転時にないときは、このルーチンを終了し、状況に応じた制御ルーチンに移行する。
【００１６】
Ｓ１０２では、燃料電池１０１の運転状態として、燃料ガスの供給流量、酸化ガスの供給流量及び燃料電池１０１の発生電流等を読み込む。運転状態には、これらのパラメータに代え又はこれらのパラメータとともに、アノード及びカソードの電極温度、燃料ガス及び酸化ガスの供給圧力、燃料電池１０１の発生電圧又は発生電力を採用することができる。
【００１７】
Ｓ１０３では、読み込まれた運転状態をもとに、水素排出条件が成立しているか否かを判定する。成立しているときは、Ｓ１０４へ進み、成立していないときは、このルーチンを終了する。この成否判定は、たとえば、アノード内のガス通路圧力が所定の圧力以上に上昇したことや、燃料電池１０１の発電効率が所定の効率以下に低下したことを判定することにより行うことができる。
【００１８】
Ｓ１０４では、図３に示すフローチャートに従い水素排出処理を実行する。
水素排出処理実行ルーチンを示す図３において、Ｓ２０１では、燃料ガスの供給流量等、燃料電池１０１の運転状態を読み込む。
Ｓ２０２では、読み込んだ運転状態をもとに、系外に排出すべき排出水素の流量（以下「排出水素流量」という。）Ｑｈを算出するとともに、算出した排出水素流量Ｑｈに対して所定の空燃比を与える要求空気流量Ｑａを算出する。
【００１９】
Ｓ２０３では、温度センサ１６１の出力をもとに、燃焼器内温度Ｔｂを検出する。
Ｓ２０４では、排出水素燃焼器１１５が排出水素の着火が可能な状態にあるか否かを判定する。この着火判定は、燃焼器内温度Ｔｂが所定の着火可能温度Ｔｐｒｅに達しているか否かを判定することにより行う。また、この所定の着火可能温度Ｔｐｒｅは、燃焼器内温度Ｔｂ、排出水素流量Ｑｈと要求空気流量Ｑａとの比（すなわち、空燃比）及び触媒内におけるガス空間速度等に基づいて設定することができ、本実施形態では、空燃比及びガス空間速度をもとに、着火可能な下限温度として設定している。着火可能な状態にあるときは、Ｓ２０６へ進み、着火可能な状態にないときは、Ｓ２０５へ進み、このＳ２０５の処理の後、再びこの着火判定を行う。
【００２０】
Ｓ２０５では、電源１７１により副触媒１１５２の電極ｅ１，ｅ２に電圧をかけて、この副触媒１１５２を発熱させ、排出水素燃焼器１１５内を強制加熱する。
Ｓ２０６では、要求空気流量Ｑａに応じた増速分を加味したコンプレッサ１２２の回転数（以下「コンプレッサ回転数」という。）及び空気供給弁１２７の開度を算出し、算出したコンプレッサ回転数及び弁開度によりコンプレッサ１２２、空気供給弁１２７を制御する。また、空気供給弁１２７の制御に併せて酸化ガス供給弁１２４，１２５を制御し、アノードに供給される空気と排出水素燃焼器１１５に供給される空気との流量比を調整する。
【００２１】
Ｓ２０７では、排出水素流量Ｑｈに応じた燃料ガス排出弁１１４の開度を算出するとともに、燃料ガス排出弁１１４の開タイミング（以下「水素排出タイミング」という。）にあるか否かを判定する。この水素排出タイミングは、空気供給弁１２７の開タイミング及びコンプレッサ等の作動タイミングと関連させて、排出水素燃焼器１１５に対して排出水素と空気とがほぼ同時に供給されるタイミングに設定する。水素排出タイミングにあるときは、Ｓ２０８に進み、水素排出タイミングにないときは、このＳ２０７の処理を繰り返し、水素排出タイミングとなるまで待機する。なお、水素排出タイミングは、排出水素燃焼器１１５に対して排出水素が空気よりも先に供給されるように、空気供給弁１２７の開タイミングに対して比較的に早い時期に設定したり、排出水素が空気よりも後に供給されるように、空気供給弁１２７の開タイミングに対して比較的に遅い時期に設定することもできる。水素排出タイミングは、排出水素燃焼器１１５の状態に応じて切り換えることができる。水素を先に供給することで、確実な着火性を得ることができ、空気を先に供給することで、排出水素の過剰燃焼を回避することができる。水素排出タイミングは、燃料ガス排出管１１４及び空気分流管１２６の管径、管長、並びに排出水素流量Ｑｈ及び要求空気流量Ｑａをもとに、逆算して設定することができる。
【００２２】
Ｓ２０８では、燃料ガス排出弁１１４を開弁させ、排出水素燃焼器１１５に排出水素を導入させる。
Ｓ２０９では、水素排出が終了したか否かを判定する。終了したときは、Ｓ２１０へ進み、終了していないときは、このＳ２０９の処理を繰り返し、水素排出が終了するまで待機する。
【００２３】
Ｓ２１０では、燃料ガス排出弁１１４を閉弁させ、系外へのアノードオフガスの排出を停止する。
Ｓ２１１では、空気供給弁１２７を閉弁させ、排出水素燃焼器１１５への空気の供給を停止する。なお、これに伴い、コンプレッサ回転数及び酸化ガス供給弁１２４，１２５の開度を元の運転状態に応じた値に復帰させる。
【００２４】
図４は、本実施形態に係る水素排出処理時における燃焼器内温度Ｔｂと、副触媒１１５２、空気供給弁１２７及び燃料ガス排出弁１１４の動作を示している。本実施形態では、アノードオフガスの排出を間欠的、かつ周期的に行うこととし、図４において、この排出周期をＸで、この排出周期Ｘのうち空気供給弁１２７の開期間をＹで示している。
水素排出処理に際し、燃焼器内温度Ｔｂは雰囲気温度Ｔａｍｂと一致しており、概して排出水素の着火可能温度Ｔｐｒｅに達していない。このため、燃料ガス排出弁１１４の開弁に先立ち、副触媒１１５２により排出水素燃焼器１１５内を強制加熱する（時刻ｔ１１）。燃焼器内温度Ｔｂが着火可能温度Ｔｐｒｅに達したとき（時刻ｔ２１）は、この強制加熱を停止するとともに、空気供給弁１２７を開弁させる。その後、水素排出タイミング（時刻ｔ３１）となるまで待機し、水素排出タイミングにおいて、燃料ガス排出弁１１４を開弁させ、排出水素燃焼器１１５に排出水素を導入させる。ここで、加熱停止から水素排出タイミングまでの間（期間ａ）、燃焼器内温度Ｔｂが一時的に低下するが、排出水素の導入により燃焼が開始すると、燃焼器内温度Ｔｂが再び上昇する。空気供給弁１２７の開期間Ｙが過ぎると、空気供給弁１２７及び燃料ガス排出弁１１４をともに閉弁させる。その後、次の排出周期となるまで排出水素燃焼器１１５への反応ガスの供給は中断されるため、燃焼器内温度Ｔｂが低下する。次の排出周期の始め（時刻ｔ１２）に燃焼器内温度Ｔｂが着火可能温度Ｔｐｒｅに達しているとき（このときの変化を実線Ａで示す。）は、副触媒１１５２による強制加熱を行わず、所定の開時期（時刻ｔ２２）に空気供給弁１２７を開弁させるとともに、水素排出タイミング（時刻３２）に燃料ガス排出弁１１４を開弁させる。他方、この排出周期の始め（時刻ｔ１２）に燃焼器内温度Ｔｂが着火可能温度Ｔｐｒｅに達していないとき（このときの変化を二点鎖線Ｂで示す。）は、先と同様にして排出水素燃焼器１１５内を強制加熱して、着火可能温度Ｔｐｒｅに昇温させるとともに、所定のタイミングｔ２２，ｔ３２で空気供給弁１２７及び燃料ガス排出弁１１４を開弁させる。排出水素の燃焼による加熱と、反応ガスの供給停止による冷却とのエネルギー収支が保たれているときは、燃焼器内温度Ｔｂは、着火可能温度Ｔｐｒｅ及び燃焼温度Ｔｃｍｂの間で変化する。なお、装置の形状又は運転条件等に応じ、空気供給弁１２７の開時期ｔ２１（ｔ２２）と燃料ガス排出弁１１４の開時期ｔ３１（ｔ３２）とは、前後逆に設定されてもよい。
【００２５】
図５は、起動燃焼処理ルーチンのフローチャートである。起動燃焼処理は、発電システム１Ａの起動時において、通常制御への移行前に行われる。
Ｓ３０１では、燃焼器内温度Ｔｂを検出する。
Ｓ３０２では、検出した燃焼器内温度Ｔｂが排出水素の着火可能温度Ｔｐｒｅに達しているか否かを判定する。達しているときは、Ｓ３０４へ進み、達していないときは、Ｓ３０３へ進む。なお、この着火判定は、燃焼器内温度Ｔｂによる方法に限らず、たとえば、前回停止時における排出水素燃焼器１１５内の残存水分量に関連する条件により行うこともできる。この残存水分量は、燃料電池１０１の前回停止時における運転状態に基づいて算出することができる。
【００２６】
Ｓ３０３では、副触媒１１５２により排出水素燃焼器１１５内を強制加熱する。
燃焼器内温度Ｔｂが着火可能温度Ｔｐｒｅに達した後、Ｓ３０４では、起動燃焼のための要求熱量を発生させることのできる水素の流量（以下「要求水素流量」という。）を設定するとともに、この水素の燃焼温度を所定の温度に維持するために必要な空気の流量として要求空気流量を設定し、空気供給弁１２７を設定した要求空気流量に応じた開度に制御する。
【００２７】
Ｓ３０５では、設定した要求空気流量を達成するためのコンプレッサ回転数を設定し、設定したコンプレッサ回転数でコンプレッサ１２２を作動させる。本実施形態では、コンプレッサ１２２により送出される空気の全量を排出水素燃焼器１１５に供給するため、酸化ガス供給弁１２４を全閉させる。
Ｓ３０６では、燃料ガス排出弁１１４の開タイミング（ここでは、特に「水素供給タイミング」という。）にあるか否かを判定する。水素供給タイミングにあるときは、Ｓ３０７に進み、水素供給タイミングにないときは、このＳ３０６の処理を繰り返し、水素供給タイミングとなるまで待機する。この水素供給タイミングは、先の「水素排出タイミング」と同様に空気供給弁１２７の開タイミング及びコンプレッサ等の作動タイミングと関連させて設定する。
【００２８】
Ｓ３０７では、燃料ガス排出弁１１４を開弁させ、排出水素燃焼器１１５に水素を供給する。燃料ガス排出弁１１４の開弁を水素供給タイミングとなるまで待機することで、排出水素燃焼器１１５に対して水素と空気とがほぼ同時に供給される。
Ｓ３０８では、起動燃焼が終了したか否かを判定する。終了したときは、Ｓ３０９へ進み、終了していないときは、このＳ３０９の処理を繰り返す。
【００２９】
Ｓ３０９では、燃料ガス排出弁１１４を閉弁させ、排出水素燃焼器１１５への水素の供給を停止する。
Ｓ３１０では、空気供給弁１２７を閉弁させ、排出水素燃焼器１１５への空気の供給を停止する。また、これに併せ、酸化ガス供給弁１２４，１２５を開弁させ、燃料電池１０１のカソードに空気を供給する。
【００３０】
なお、ここでは、起動燃焼中に酸化ガス供給弁１２４を全閉させるとともに、起動燃焼の終了に伴い空気供給弁１２７を閉弁させることとしたが、起動燃焼中にカソードに空気を供給する必要があるときは、酸化ガス供給弁１２４，１２５を必要に応じた開度で開弁させてよく、また、起動燃焼の終了後も燃焼を継続させる必要があるときは、空気供給弁１２７を全閉させる必要はない。
【００３１】
図６は、本実施形態に係る起動燃焼処理時における燃焼器内温度Ｔｂと、排出水素燃焼器１１５に供給される水素及び空気の流量（水素；Ａ、空気；Ｂ）とを示している。
起動燃焼処理に際して燃焼器内温度Ｔｂが着火可能温度Ｔｐｒｅに達していないとき（時刻ｔ１１）は、空気供給弁１２７の開弁及びコンプレッサ１２２の作動に先立ち、副触媒１１５２により排出水素燃焼器１１５内を強制加熱する。着火可能温度Ｔｐｒｅに達したとき（時刻ｔ２１）は、この強制加熱を停止するとともに、空気供給弁１２７を開弁させ、コンプレッサ１２２を作動させる。その後、水素供給タイミング（時刻３１）となるまで待機し、水素供給タイミングにおいて、燃料ガス排出弁１１４を開弁させ、排出水素燃焼器１１５に水素を供給する。燃焼器内温度Ｔｂは、加熱停止に伴い一時的に低下するが、水素の供給により燃焼が開始すると上昇し、燃焼温度Ｔｃｍｂで安定する
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
【００３２】
すなわち、「処理手段」としての排出水素燃焼器１１５に対し、空気分流管１２６を介してカソードへの供給前の空気を供給することで、燃料電池１０１の運転状態に拘わりなく最適な量の空気を供給することができる。また、カソードへの空気の供給流量自体は水素排出処理前及びその最中で維持されるから、加湿のための消費エネルギーの増大や、カソードにおける水収支の悪化を回避することができる。更に、排出水素燃焼器１１５に供給される空気は、カソードオフガスと比較して酸素濃度が高く、かつ湿度が低いため、排出水素燃焼器１１５における排出水素の着火性を向上させ、排出水素の処理を安定して行うことができる。
【００３３】
なお、本実施形態に係る水素排出処理は、燃料電池１０１の停止処理時において、アノード内のガスを停止中の充填ガスに置換する場合に適用することができる。すなわち、排出水素燃焼器１１５に対し、充填ガスへの置換によりアノードから排出された水素を導入するとともに、この水素を燃焼させるために必要な量の空気を導入し、水素を燃焼させて処理するのである。この処理に先立ち、燃焼器内温度Ｔｂが所定の着火可能温度Ｔｐｒｅに達していないときは、副触媒１１５２により排出水素燃焼器１１５内を強制加熱することで、着火性を確保することができる。
【００３４】
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る発電システム１Ｂの構成を示している。
本実施形態では、オフガス処理装置の構成要素として、第１の実施形態におけるコンプレッサ１２２、空気分流管１２６及び空気供給弁１２７に代え、空気供給管１８１及びコンプレッサ（「第２の空気供給手段」に相当し、ブロワー及びファン等の比較的に低圧型のものであってもよい。）１８２が設けられている。空気供給管１８１は、「供給通路」に相当するものであり、「カソード側の導入通路」としての空気供給管１２１とは独立に設けられ、一端で大気に開放され、他端で排出水素燃焼器１１５に接続されている。コンプレッサ１８２は、この空気供給管１８１に接続され、排出水素燃焼器１１５に対して空気を圧縮して供給する。なお、これ以外の構成、すなわち、燃料ガス排出管１１２と燃料ガス供給管１１１とが燃料ガス還流管１１３により接続されていること、燃料ガス排出管１１２が排出水素燃焼器１１５に接続されていること、排出水素燃焼器１１５に希釈エレメント１１５１、副触媒１１５２及び主触媒１１５３が内蔵されていること、副触媒１１５２が自己加熱機能を備えること、及び空気排出管１２３に排気マフラー１２８が設置されており、排出水素燃焼器１１５と空気排出管１２３とが燃焼ガス排出管１２９によりこの排気マフラー１２８よりも上流で接続されていること等は、第１の実施形態のものと同様である。
【００３５】
この発電システム１Ｂでは、第１の実施形態におけるコンプレッサ１２２、空気供給弁１２７及び酸化ガス供給弁１２４，１２５の制御をコンプレッサ１８２の制御に置き換えることで、水素排出処理及び起動燃焼処理を行うことができる。この水素排出処理及び起動燃焼処理について、図３，５に示すフローチャートと対比させて説明する。
すなわち、水素排出処理は、燃料電池１０１の運転状態に応じた排出水素流量Ｑｈ及び要求空気流量Ｑａを算出し（Ｓ２０２）、燃焼器内温度Ｔｂが排出水素の着火可能温度Ｔｐｒｅに達していないときは、副触媒１１５２により排出水素燃焼器１１５内を強制加熱する（Ｓ２０３〜２０５）。着火条件の成立後、コンプレッサ１８２を要求空気流量Ｑａに応じた回転数で作動させるとともに（Ｓ２０６）、水素排出タイミングを待ち、水素排出タイミングで燃料ガス排出弁１１４を開弁させ、排出水素燃焼器１１５に排出水素を導入させる（Ｓ２０７，２０８）。水素排出処理が終了したときは、燃料ガス排出弁１１４を閉弁させるとともに、コンプレッサ１８２を停止させる（Ｓ２０９〜２１１）。
【００３６】
他方、起動燃焼処理は、必要に応じて副触媒１１５２による強制加熱を行い（Ｓ３０１〜３０３）、着火条件の成立後、コンプレッサ１８２を作動させる（Ｓ３０５）。水素供給タイミングに燃料ガス排出弁１１４を開弁させ、排出水素燃焼器１１５に水素を供給する（Ｓ３０６，３０７）。起動燃焼が終了したときは、燃料ガス排出弁１１４を閉弁させるとともに、コンプレッサ１８２を停止させる（Ｓ３０８〜３１０）。
【００３７】
また、本実施形態に係る水素排出処理を燃料電池１０１の停止処理に適用可能であることも、第１の実施形態のものと同様である。
本実施形態によれば、排出水素燃焼器１１５に空気を供給するための特別なコンプレッサ１８２を設置したことで、コンプレッサ１２２，１８２として小型のものを採用することができるので、振動を低減させるとともに、発電システム１Ｂの構成をまとまりのよいものとすることができる。また、各コンプレッサ１２２，１８２を他方のものとは独立に制御することができるので、排出水素燃焼器１１５に最適な量の空気を供給するとともに、カソードに対する空気の過剰供給及びこれに伴うカソードにおける水収支の悪化を回避することができる。
【００３８】
図８は、本発明の第３の実施形態に係るオフガス処理装置の処理手段の構成を示している。
本実施形態では、「処理手段」として希釈ミキサー１１５’が採用されている。この希釈ミキサー１１５’は、多孔板等により構成される希釈エレメント１１５４が内蔵されている。また、この希釈ミキサー１１５’には、空気分流管１２６が接続されるとともに、燃料ガス排出管１１２が接続されている。希釈エレメント１１５’と空気排出管（１２３）とが「接続通路」としての希釈ガス排出管１２９’により接続されることは、第１の実施形態のものと同様である。希釈ミキサー１１５’に導入された排出水素は、空気分流管１２６を介して供給された空気により、たとえば、２％以下の濃度に希釈された後、希釈ガス排出管１２９’を介して空気排出管（１２３）に排出される。
【００３９】
本実施形態に係る水素排出処理及び起動燃焼処理は、第１の実施形態のものと同様（着火性の確保のためのＳ２０３〜２０５（図３）、Ｓ３０１〜３０３（図５）の処理を除く。）に行うことができる。ただし、本実施形態では、要求空気流量Ｑａが排出水素の希釈の観点から設定され、この要求空気流量Ｑａは、概して排出水素の燃焼の観点から設定される流量よりも大きい。また、第１の実施形態では、排出水素燃焼器１１５に対する排出水素及び空気の供給タイミングを同期させたが、本実施形態では、排出水素燃焼器１１５に対して水素よりも先に空気が供給されるように水素排出タイミング又は水素供給タイミングを設定するのが好ましい。
【００４０】
また、希釈ミキサー１１５’に「供給通路」としての空気供給管（１８１）を接続するとともに、「第２の空気供給手段」としてのコンプレッサ（１８２）を設置し、カソードに空気を供給するためのもの（１２２）とは異なるコンプレッサにより空気を供給し、排出水素を希釈することとしてもよい。
希釈ミキサー１１５’が採用されたオフガス処理装置により燃料電池１０１の停止処理を行うこともできる。
【００４１】
本実施形態によれば、希釈ミキサー１１５’に対し、排出水素の希釈に必要な量の空気を燃料電池１０１の運転条件に拘わりなく供給することができるので、排出水素の希釈を安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成
【図２】水素排出処理判定ルーチンのフローチャート
【図３】水素排出処理実行ルーチンのフローチャート
【図４】水素排出処理時における燃焼器内温度及び各制御デバイスの動作
【図５】起動燃焼処理ルーチンのフローチャート
【図６】起動燃焼処理時における燃焼器内温度、並びに水素及び空気の流量
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成
【図８】オフガス処理装置の処理手段としての希釈ミキサーの構成
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池発電システム、１０１…燃料電池、１１１…燃料ガス供給管、１１２…燃料ガス排出管、１１３…燃料ガス還流管、１２１…「カソード側の導入通路」としての空気供給管、１２２…「第１の空気供給手段」としてのコンプレッサ、１２３…空気排出管、１２４，１２５…酸化ガス供給弁、１２６…空気分流管、１２７…空気供給弁、１２８…排気マフラー、１２９…燃焼ガス排出管、１３０…逆止弁、１５１…コントロールユニット、１１５１…希釈エレメント、１１５２…副触媒、１１５３…主触媒、１６１…温度センサ、１６２，１６３…流量センサ、１６４…電流センサ、１７１…電源、１８１…「供給通路」としての空気供給管、１８２…「第２の空気供給手段」としてのコンプレッサ、１１５’…希釈ミキサー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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