(57)【要約】【課題】複雑な制御を要することなく、排気水素濃度を良好に低減することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出された燃料ガス及び酸化ガスのオフガスを燃焼させる燃焼装置１０と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃焼装置１０が、オフガス中の水素の濃度を検出する水素ディテクタ６２と、この水素ディテクタ６２により検出した水素の濃度が所定値に達したと判定した際にオフガスに点火する点火プラグ６３と、を備える。【選択図】図２
2008016350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料ガス及び酸化ガスのオフガスを燃焼させる燃焼装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃焼装置は、前記オフガス中の水素の濃度を検出する検出器と、該検出器により検出された水素の濃度が所定値に達した際に前記オフガスに点火する点火器と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼装置を構成するケースが、耐圧防爆構造とされている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃焼装置の下流側に、消音部が設けられている請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼装置の上流側における前記オフガスの流入口に、逆流防止扉が設けられている請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃焼装置の内部と前記オフガスの流入口に繋がる配管とに連通する還流路が設けられている請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムには、燃料電池から排出された燃料オフガス中の水素濃度を所定濃度以下に低減すべく、燃料オフガスを燃焼させるものが知られている（例えば、特許文献１〜５）。
【特許文献１】特開２００２−４２８５１号公報
【特許文献２】特開２００３−３２７４０６号公報
【特許文献３】特開２００５−１０８８０５号公報
【特許文献４】特開２００５−２０９４５９号公報
【特許文献５】特開２００６−４０８２８号公報
【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、燃焼による水素の低減量は定量的でなく不安定である。このことから、燃料電池から排出されるオフガス中における水素濃度を制御して管理する必要があるが、このように排出水素濃度を管理するには複雑な制御を要する。このため、複雑な制御を行うことなくオフガス中の水素濃度を良好に低減することが可能な技術が望まれていた。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、複雑な制御を要することなく、排気水素濃度を良好に低減することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料ガス及び酸化ガスのオフガスを燃焼させる燃焼装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃焼装置は、前記オフガス中の水素の濃度を検出する検出器と、該検出器により検出された水素の濃度が所定値に達した際に前記オフガスに点火する点火器と、を備える。
【０００６】
この構成によれば、検出器によってオフガス中の水素の濃度が所定値に達した際に、点火器によってオフガスに点火して燃焼させ、オフガス中の水素の濃度を低減させることができる。これにより、複雑な制御を要することなく、排出するオフガス中の水素濃度を所定値以下に抑えることができる。
【０００７】
また、前記燃焼装置を構成するケースは、耐圧防爆構造とされていても良い。これにより、燃焼装置の安全性を向上させることができる。
【０００８】
さらに、前記燃焼装置の下流側に、消音部が設けられていても良い。これにより、オフガスの燃焼時に発生する音を低減することができる。
【０００９】
また、前記燃焼装置の上流側における前記オフガスの流入口に、逆流防止扉が設けられていても良い。これにより、オフガスの燃焼時における燃料電池側へのガスの逆流を抑えることができる。
【００１０】
また、前記燃焼装置の内部と前記オフガスの流入口に繋がる配管とに連通する還流路が設けられていても良い。この構成によれば、燃焼装置内の燃焼ガスを還流路側に逃がすことが可能になるので、燃焼装置の内部におけるオフガス燃焼時の急激な圧力上昇を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、複雑な制御を要することなく、排気水素濃度を良好に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一の実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１３】
図１に示される燃料電池システム１００において、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。
【００１４】
燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス）は、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、加湿器Ａ２１の熱交換器、及び燃焼装置１０が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１５】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００１６】
水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。
【００１７】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。
【００１８】
遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、水素供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００１９】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって燃焼装置１０の上流側における排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃焼装置１０に導入された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２０】
燃焼装置１０は、図２に示すように、排気路７２が重力方向下部に接続されたケース６０を有しており、このケース６０の内部が燃焼室６１とされている。このケース６０は、耐圧防爆構造とされている。
【００２１】
この燃焼室６１には、その重力方向上部に、水素ディテクタ（検出器）６２が設けられており、この水素ディテクタ６２によって燃焼室６１内における水素濃度が検出され、その検出信号が制御部５０へ送信される。また、この燃焼室６１の重力方向上部には、水素ディテタク６２に隣接して点火プラグ（点火器）６３が設けられており、この点火プラグ６３は、制御部５０によって電力が供給され、燃焼室６１内にてスパークを発生させる。
【００２２】
また、燃焼装置１０のケース６０には、消音部６４が設けられている。この消音部６４は、外部に開口する配管６５と、この配管６５内に設けられた複数の仕切板６６とを有するもので、これら仕切板６６によって配管６５内における流路が複数の部屋に区画されて蛇行し、これにより流路長が長くされている。
【００２３】
また、燃焼装置１０のケース６０には、排気路７２との接続箇所のオフガスの流入口６１ａに、燃焼室６１側にのみ開く逆流防止扉６７が設けられており、この流入口６１ａから排気路７２へのガスの逆流が抑制されている。さらに、燃焼装置１０には、ケース６０の内部と排気路７２とに繋がる還流路６８が設けられている。この還流路６８には、ケース６０との接続口６８ａに、還流路６８側にのみ開く開閉扉６９が設けられている。
【００２４】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２５】
燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２６】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１００の各部のセンサ（水素ディテクタ６２、圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転や点火プラグ６３の点火タイミングを制御する。
【００２７】
上記の燃焼装置１０を備えた燃料電池システム１００では、燃料電池２０を構成するスタックから排出された水素オフガスと空気オフガスとが排気路７２にて混合されることにより、水素濃度が希釈された混合気とされ、その後、燃焼装置１０に送り込まれる。この燃焼装置１０では、燃焼室６１内の水素濃度が、水素ディテクタ６２によって検出され、制御部５０に送信される。
【００２８】
そして、制御部５０は、その水素濃度が例えば排気濃度基準等により定めた所定値（例えば、４％程度）に達したと判定すると、点火プラグ６３に電力を供給する。すると、この点火プラグ６３にてスパークが発生し、このスパークによって燃焼室６１内のオフガスに点火し、このオフガスが燃焼する。この燃焼後のオフガスは、燃焼によって水素と酸素とが反応して水となることにより、水素濃度が大幅に低減され、その後、消音部６４を介して外部へ排出される。
【００２９】
このように、上記実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、オフガス中の水素の濃度を検出する水素ディテクタ６２と、この水素ディテクタ６２により検出した水素の濃度が所定値に達したと判定した際にオフガスに点火する点火プラグ６３と、を備える燃焼装置１０を設けたので、水素ディテクタ６２によってオフガス中の水素の濃度が所定値に達した際に、点火プラグ６３によってオフガスに点火して燃焼させ、オフガス中の水素の濃度を低減させることができる。
【００３０】
これにより、複雑な制御を要することなく、排出するオフガス中の水素濃度を所定値以下に抑えることができる。また、燃焼装置１０を構成するケース６０は、耐圧防爆構造とされているので、燃焼装置１０の安全性を向上させることができる。さらに、燃焼装置１０の下流側に、消音部６４が設けられているので、オフガスの燃焼時に発生する音を低減して静粛性を向上させることができる。
【００３１】
また、燃焼装置１０の上流側におけるオフガスの流入口６１ａに、逆流防止扉６７が設けられているので、オフガスの燃焼時における燃料電池２０側へのガスの逆流を抑えることができる。しかも、燃焼装置１０の内部とオフガスの流入口６１ａに繋がる排気路７２とに連通する還流路６８が設けられているので、燃焼装置１０内の燃焼ガスを還流路６８側に逃がすことが可能になり、燃焼装置１０の燃焼室６１内におけるオフガス燃焼時の急激な圧力上昇を抑えることができ、燃焼装置１０の耐久性が向上する。
【００３２】
また、燃焼装置１０を、オフガスが外部に排出される排気路７２の端部に設けたので、燃焼装置１０におけるオフガスの燃焼時における圧力上昇を大気に逃がすことができ、燃焼装置１０の燃焼室６１内における圧力上昇を抑えることができる。
【００３３】
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、上記実施形態の燃料電池システム１００において、燃焼装置１０の上流側と下流側の少なくとも一方に、触媒によって水素を触媒燃焼させる希釈器を設け、さらに効率的にオフガス中の水素濃度を低減させるようにしても良い。
【００３４】
また、排出路７２の途中に、水素を吸蔵する水素吸蔵物質を配設して一時的に水素を吸蔵させておき、所定のタイミングにて、この水素吸蔵物質から水素を徐々に放出するようにしてもよい。この構成によれば、オフガス中の水素濃度をより一層抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図２】燃焼装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…燃焼装置、２０…燃料電池、６０…ケース、６１ａ…流入口、６２…水素ディテクタ（検出器）、６３…点火プラグ（点火器）、６４…消音部、６７…逆流防止扉、６８…還流路、７２…排気路（配管）。
【図１】
2008016350.tif 000003
【図２】
2008016350.tif 000004