(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池から排気されてきた排出水素ガスに、不燃ガスを５〜１０％混合させ、排出水素ガス濃度を爆発上限範囲以上とし安全運転を行うことを目的とする。【解決手段】本発明による燃料電池システムは、排出水素ガスライン(10)に設けられ不燃ガスを混合するための不燃ガス混合装置(1)と、前記排出水素ガスライン(10)に設けられた触媒反応装置(7)及び排ガス熱交換器(8)並びに酸素導入制御手段(30)を設け、排出水素ガス濃度を爆発上限以上の濃度として安全とする構成である。【選択図】図１
2008270028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池(2)から排出される排出水素ガス(3)を案内する排出水素ガスライン(10)の途中に設けられ不燃ガスを混合するための不燃ガス混合装置(1)と、前記不燃ガス混合装置(1)からの前記排出水素ガスライン(10)に設けられ水素／酸素燃焼可能な触媒を充填した触媒反応装置(7)と、前記触媒反応装置(7)の下流側へ設けられた排ガス熱交換器(8)とを備え、
前記排ガス熱交換器(8)からの前記排出水素ガス(3)を前記不燃ガス混合装置(1)に帰還し外部に排出しないようにした燃料電池システムにおいて、
前記排出水素ガスライン(10)内に酸素導入制御手段(30)を介して酸素ガス(20)を導入し、前記排出水素ガスライン(10)内の排出水素ガス濃度を爆発上限以上の濃度となるように最小限の不燃ガスを充填する構成としたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記排出水素ガスライン(10)に、前記酸素ガス(20)を前記排出水素ガス(3)に対して爆発燃焼範囲外の５％以内混合し、前記排出水素ガスライン(10)に不燃ガス混合装置(1)を介して不燃ガスを５〜１０％混合させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記不燃ガスとして水蒸気を用いるため、前記不燃ガス混合装置(1)内に水を有し、前記水の水温を温度制御装置(12)で制御して前記不燃ガス混合装置(1)内の水蒸気圧を制御し、前記排出水素ガスライン(10)内の前記不燃ガス量を制御し、安全な前記排出水素ガス濃度に制御することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記不燃ガスとして、前記水蒸気と、前記水蒸気以外の不燃ガスとの両方を用いることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記排出水素ガス(3)に前記不燃ガスを混合する場合、前記触媒反応装置(7)の触媒反応熱を用いて前記不燃ガス混合装置(1)内の水温を制御し、前記不燃ガスとして飽和水蒸気を用いることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記触媒反応装置(7)の出口側(7a)の前記排出水素ガス(3)のガス温度を測定し、前記ガス温度が予め規定された規定値内に入るよう前記酸素導入制御手段(30)の制御を行い前記ガス温度を５００℃以下の運転温度とするために、前記不燃ガスが混合された前記排出水素ガス(3)に導入する前記酸素ガスの酸素量を制御することを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記触媒反応装置(7)及び排ガス熱交換器(8)により排ガス処理手段(40)を構成し、前記排ガス処理手段(40)は前記排出水素ガスライン(10)に複数直列に設けられていることを特徴とする請求項１ないし６の何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、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池から排気されてきた排出水素ガスに、予め不燃ガスを５〜１０％混合させ、排出水素ガス濃度を爆発上限範囲以上に常になるように、また触媒反応が安全に行われるように酸素ガスを制御するための新規な改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムとしては、例えば、特許文献１及び特許文献２の構成があり、図３で示されるように、固体高分子燃料電池では水素と酸素が反応し発電が起きるが、燃料電池２内で燃料の水素ガスの量が不足すると電極の消耗などが起きて破損するなど故障の原因となる。このため、通常、自動車や家庭用に使用される燃料電池では、水素ガスを余剰に供給する方法がとられている。このため、電池内で消費されなかった未反応の水素ガスは循環利用されるが、不純ガスが含まれ不純ガスなどの影響を排除するため、燃料電池メーカーなどにより若干異なっているようではあるが、約１０〜１５％程度排気させている。
また、触媒反応装置７は、通常では燃焼できない組成でも燃焼させることが出来るので、安全システムを実現する上で重要な技術であり、燃料電池等のシステムの排ガス処理装置として採用されている。通常では、窒素などの不燃ガスと可燃ガスを混入し水素濃度を爆発下限界以下（水素ガスが４％以下の希薄な濃度状態）となる条件で燃焼させる。
すなわち、図３において、符号１で示されるものは混合室であり、この混合室１には、燃料電池２の排出水素ガス３及び送風機４からの空気５が混合されるように構成されている。
【０００３】
前記混合室１からの排出水素ガス３は、加熱ユニット６で加熱され、触媒反応装置７で反応処理され、排ガス熱交換器８で熱交換して温度が下げられた後に、外部へオフガス９として外部へ排気されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４２１３１号公報
【特許文献２】特開２００２−１２４２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燃料電池システムは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、水素ガスの空気中での爆発限界は、空気中で４〜７５ｖｏｌ％、酸素ガス中で４％〜９５％と広い。このため、通常、水素濃度を４％以下の希薄ガスとするため（９６％不燃ガス）触媒反応装置前に混合した状態で触媒反応装置で触媒燃焼処理するシステムを組む。この場合、処理する水素ガスの２５倍以上の不燃ガスが混合されるため、装置に導入されるガス量が大きくなり、ブロアの必要動力が大きく消費電力の増加が起きる。また、排気ガス管や触媒燃焼装置が燃料電池と同程度まで大型の装置となり、設置空間や供給動力に制約がある場合は大きな問題となる。
これらの従来技術の問題点を解決するためには、触媒反応装置内でのキャリアガスの量を極力小さくすることであるが、安易に少なくするとＨ２ガスの爆発限界内に入ってしまい安全システムであることのメリットが失われてしまうことになっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による燃料電池システムは、燃料電池から排出される排出水素ガスを案内する排出水素ガスラインの途中に設けられ不燃ガスを混合するための不燃ガス混合装置と、前記不燃ガス混合装置からの前記排出水素ガスラインに設けられ水素／酸素燃焼可能な触媒を充填した触媒反応装置と、前記触媒反応装置の下流側へ設けられた排ガス熱交換器とを備え、前記排ガス熱交換器からの前記排出水素ガスを前記不燃ガス混合装置に帰還し外部に排出しないようにした燃料電池システムにおいて、前記排出水素ガスライン内に酸素導入制御手段を介して酸素ガスを導入し、前記排出水素ガスライン内の排出水素ガス濃度を爆発上限以上の濃度となるように最小限の不燃ガスを充填する構成であり、また、前記排出水素ガスラインに、前記酸素ガスを前記排出水素ガスに対して爆発燃焼範囲外の５％以内混合し、前記排出水素ガスラインに不燃ガス混合装置を介して不燃ガスを５〜１０％混合させる構成であり、また、前記不燃ガスとして水蒸気を用いるため、前記不燃ガス混合装置内に水を有し、前記水の水温を温度制御装置で制御して前記不燃ガス混合装置内の水蒸気圧を制御し、前記排出水素ガスライン内の前記不燃ガス量を制御し、安全な前記排出水素ガス濃度に制御する構成であり、また、前記不燃ガスとして、前記水蒸気と、前記水蒸気以外の不燃ガスとの両方を用いる構成であり、また、前記排出水素ガスに前記不燃ガスを混合する場合、前記触媒反応装置の触媒反応熱を用いて前記不燃ガス混合装置内の水温を制御し、前記不燃ガスとして飽和水蒸気を用いる構成であり、また、前記触媒反応装置の出口側の前記排出水素ガスのガス温度を測定し、前記ガス温度が予め規定された規定値内に入るよう前記酸素導入制御手段の制御を行い前記ガス温度を５００℃以下の運転温度とするために、前記不燃ガスが混合された前記排出水素ガスに導入する前記酸素ガスの酸素量を制御する構成であり、また、前記触媒反応装置及び排ガス熱交換器により排ガス処理手段を構成し、前記排ガス処理手段は前記排出水素ガスラインに複数直列に設けられている構成である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明による燃料電池システムは、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、
(1)  排水水素ガスを不燃ガスを混合して安全に処理するため従来の触媒燃焼で行われている爆発下限界以下(水素濃度４％以下)となる様に２０倍以上の多量の不活性ガスで希釈する必要がなくなる。
(2)  反応に必要な酸素ガスと水素ガスと５〜１０％程度の不燃性がスだけで、処理可能となり、従来の処理ガス装置において排気ガス処理に必要な排ガス循環動力の削減が出来、省電力となり、燃料電池システムとして総合効率が向上する。
(3)  常に、水素濃度を爆発上限以上で運転されるため安全に運転できる。
(4)  外部から導入するガスは、必要最小限の酸素ガスだけで、外部へ排気するガスがないため、排気ガスが溜った空間における加圧や可燃性ガス等の蓄積による危険状態になることがなくなるため、燃料電池システムとしては、安全かつ長期に安定した運転が可能となる。
(5)  酸素ガスを燃料電池の酸化ガスの酸素排ガスを利用することにより、完全なクローズされた燃料電池システムとすることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、排出水素ガスに不燃ガスを混合させて爆発上限界以上の濃度で燃焼を行わせることにより触媒反応装置へのキャリアガスの量を極力小さくすることを可能とするものであり、安全性を確実に確保可能とするために爆発限界に入らない条件でキャリアガス量を小さくすることを実現し、装置のコンパクト化、負荷動力の軽減を実現し、さらに、水素−酸素燃料電池システムにおいて上記の操作において、燃料電池からの排気ガスである水素ガスを安全に触媒燃焼処理するための酸化剤として、燃料電池の酸化剤である酸素ガスを利用することにより、燃料電池からの排気ガスをなくすることを可能とした燃料電池システムを提供することを目的とする。
【実施例】
【０００９】
以下、図面と共に本発明による燃料電池システムの好適な実施の形態について説明する。
図１に示す本発明の燃料電池システムについて述べる前に、本発明の作用上の特徴について述べる。
本発明の燃料電池システムは、水素ー酸素系の雰囲気で水素ガス濃度が常に爆発上限界以上になる様に酸素ガス(酸素濃度５％以下)を制御し、また、触媒燃焼による発熱熱により高温にならないように酸素ガスの導入量を制御して安全に触媒燃焼させる。具体的な実施方法としては、酸素濃度を常に安全な濃度範囲に保つように、酸素導入バルブにより酸素導入量を制御する。この時、固体高分子燃料電池から排気される水素ガスの中に、常に爆発上限値以上となる様に、すなわち、酸素濃度が５％以下となる様に、水素ガスにあらかじめ不活性ガスを必要最小限の量(１０％程度以上)混合した状態で運転させることとする。この不燃性ガスの混合処置により、より安全にかつ余分な動力を増やすことなく効率よくかつ小型化が可能となる。
【００１０】
また、導入する酸素量は、触媒反応装置の下流に設けた温度センサーにより反応後のガス温度を監視し、流量と反応後の排気ガス温度の関係を基に、安全な酸素濃度以下であり、かつ機器の最高運転温度以下となる様に制御する。例えば、排ガス濃度を機器の耐熱等を考慮した温度５００℃以下になる様に酸素導入バルブの制御を行う。
触媒反応により、導入される酸素ガス全量と水素ガスが反応し水を生成する。この精製された水を含んだ水素ガスは、燃料電池からの排ガスの導入するために設けられた必要な水が封入されている容器に循環される。このため、燃料電池からの排ガスと酸素がスと系内に存在する不燃ガスのみで構成されるため、生成された水は容器に貯蔵され、外部へ排気されるガスが存在しない。このことから、燃料電池システムにおいて、排気されるガスが溜った空間内の異常加圧や可燃性ガスが蓄積充満することによる不安全状態の発生等がなくなることから安全性でかつ長期の安定的な運転が可能となる。
【００１１】
なお、燃料電池からの水素排気初期段階は、本発明の燃料電池システム系内の水素ガス量が少ないため、系内で循環する水素量が規定の条件(流量及び温度)になった時点で、酸素導入を開始し、酸素濃度が５％以下となる様に酸素導入量を制御する。酸素流量は、燃料電池からの水素排気量と触媒燃焼により完全燃焼可能な量(排気水素量の１／２)を導入する。
【００１２】
図1において符号１で示されるものは、燃料電池２からの排出水素ガス３が供給される不燃ガス混合装置であり、この不燃ガス混合装置１はこの排出水素ガス３を案内するための排出水素ガスライン１０の途中位置に設けられている。
【００１３】
前記排出水素ガスライン１０の前記不燃ガス混合装置１の下流側には、触媒反応装置７及び排ガス熱交換器８が設けられており、この排ガス熱交換器８の出口側８ａは帰還ライン１１を介して前記不燃ガス混合装置１へ帰還接続されている。
【００１４】
前記不燃ガス混合装置１には、内部の水を６０℃に等しいか、又は、それ以上の温度に制御するための温度制御装置１２が設けられ、前記触媒反応装置７の出口側で温度センサー１３で検出したガス温度１３ａは、前記不燃ガス混合装置１と触媒反応装置７との間の前記排出水素ガスライン１０に酸素ガス２０を導入するためのバルブ２１を制御するために用いられるように構成され、前記バルブ２１と温度センサー１３とにより酸素導入制御手段３０が構成されている。
【００１５】
前記触媒反応装置７及び排ガス熱交換器８により排ガス処理手段４０が構成され、この排ガス処理手段４０は、必要に応じて２段、３段等の複数直列に用いると一層効果を上げることが出来る。
【００１６】
次に動作について述べる。燃料電池２からの排出水素ガス３は、予め１０ｖｏｌ％の不燃ガスと混合した後、酸素導入制御手段３０によりＯ２と混合し触媒反応装置７に供給される。
このＯ２の流量は燃焼後のガス温度を測定し、ガス温度が５００℃以下になる様にＯ２の流量を制御する。この酸素の供給方法としては、燃料電池２の燃料に使用される酸素の利用や燃料電池２から余剰の酸素として排気される場合はこのガスを用いても良い。
尚、導入するＯ２の量を不燃ガスＯ２の割合が空気中のＯ２％と同レベル２０％以下に制御することで安全な燃料電池システムが確立できる。
また、燃焼後の排ガスには、残留Ｈ２ガスが残るが、再循環させることにより１００％燃焼させることが可能である。
【００１７】
次に、燃料電池システムの設計例を示す。
３０ｋＷ燃料電池システムの排ガス処理システムを設計する。
ここで、燃料電池効率を６０％と仮定する。
供給水素量      ：１５１．１Ｎｍ３／ｈ
燃料電池排ガス（水素量）：供給水素量×５％（仮定）＝０．７６Ｎｍ３／ｈ
混合後水素量    ：０．７６×（１＋９）＝７．６Ｎｍ３／ｈ
不燃ガス混合装置排ガス量  ＝７．６×１．１（不燃ガスの混合）
＝８．３Ｎｍ３／ｈ
触媒反応による発熱量（装置入口ガス温度＝１００℃、装置出口ガス温度＝５００℃）＝(５００℃−１００℃)×８．３Ｎｍ３／ｈ×０．２４kcal／Ｎｍ３・℃
＝７９７kcal／ｈ
燃焼水素ガス量＝７９７／２４５０＝０．３１Ｎｍ３／ｈ
供給酸素量    ＝０．３１×５０％＝０．１６Ｎｍ３／ｈ
この時のＯ２温度は、１．９ｖｏｌ％で爆発限界５％以下となり安全な濃度での処理が可能となっている。
Ｏ２＝０．１６／８．３×１００％＝１．９％
なお、この時発生する反応熱は熱交換後、不燃ガスの発生装置の温度制御等に利用する。
【００１８】
ここで、排気水素量０．７６Ｎｍ３／ｈを全量処理するためには上記の処理を、３回繰返し行うシステム構成すなわち、排ガス処理手段４０を３段式とする構成とすることより、排出された水素ガスと導入された酸素ガスが完全に反応するため排出された水素ガスを安全でかつガスから大幅に体積を減少された液体の水として完全に処理し、不燃ガス混合装置１に戻すことができる。
【００１９】
次に、不燃ガス量制御方法について述べる。
不燃ガスとして水蒸気を用いた場合の制御方法を図２に示す。図２に示すように燃料電池（ＦＣ）２からの排出水素ガス３を中に充填されている温水中を通過させ、排ガスに不燃ガスである水蒸気を混合させ加湿する。不燃ガスとしての蒸気の混入量（加湿量）は、排出水素ガス３を導入する容器内すなわち不燃ガス混合装置１に貯めた温水を触媒反応熱などを利用し、加熱温度制御する。すなわち、ガス中の飽和水蒸気圧（露点）付近で制御することにより容易に行うことができる。
この水蒸気を利用することにより、温水温度の制御により外部からの不燃ガスの導入をすることなく不燃ガスの量を調整することが可能となる。
なお、始めに例えば不燃ガスとして、アルゴンガスなどを安全性の確保に必要最小限の量として約５％程度導入した状態にしておき上記の操作を行って良い。
【００２０】
従って、以上の動作をまとめると、次の通りである。すなわち、燃料電池２から排出される排出水素ガス３を案内する排出水素ガスライン１０の途中に設けられ不燃ガスを混合するための不燃ガス混合装置１と、前記不燃ガス混合装置１からの前記排出水素ガスライン１０に設けられ水素／酸素燃焼可能な触媒を充填した触媒反応装置７と、前記触媒反応装置７の下流側へ設けられた排ガス熱交換器８とを備え、
前記排ガス熱交換器８からの前記排出水素ガス３を前記不燃ガス混合装置１に帰還し外部に排出しないようにした燃料電池システムにおいて、
前記排出水素ガスライン１０内に酸素導入制御手段３０を介して酸素ガスを導入し、前記排出水素ガスライン１０内の排出水素ガス濃度を爆発上限以上の濃度となるように最小限の不燃ガスを充填し、さらに、前記排出水素ガスライン１０に、前記酸素ガスを前記排出水素ガスに対して爆発燃焼範囲外の５％以内混合し、前記排出水素ガスライン１０に不燃ガス混合装置１を介して不燃ガスを１０％混合させ、さらに、前記不燃ガスとして水蒸気を用いるため、前記不燃ガス混合装置１内に水を有し、前記水の水温を温度制御装置１２で制御して前記不燃ガス混合装置１内の水蒸気圧を制御し、前記排出水素ガスライン１０内の前記不燃ガス量を制御し、安全な前記排出水素ガス濃度に制御し、前記不燃ガスとして、前記水蒸気と、前記水蒸気以外の不燃ガスとの両方を用い、前記排出水素ガス３に前記不燃ガスを混合する場合、前記触媒反応装置７の触媒反応熱を用いて前記不燃ガス混合装置１内の水温を制御し、前記不燃ガスとして飽和水蒸気を用い、前記触媒反応装置７の出口側７ａの前記排出水素ガス３のガス温度を測定し、前記ガス温度が予め規定された規定値内に入るよう前記酸素導入制御手段３０の制御を行い前記ガス温度を５００℃以下の運転温度とするために、前記不燃ガスが混合された前記排出水素ガス３に導入する前記酸素ガス２０の酸素量を制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、燃料電池以外の水素供給系にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図１のシステム内のガス及び温度変化を示す特性図である。
【図３】従来の燃料電池システムを示す構成図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    不燃ガス混合装置
２    燃料電池
３    排出水素ガス
７    触媒反応装置
８    排ガス熱交換器
８ａ    出口側
１０    排出水素ガスライン
１１    帰還ライン
１２    温度制御装置
２０    酸素ガス
２１    バルブ
３０    酸素導入制御手段
４０    排ガス処理手段
【図１】
2008270028.tif 000003
【図２】
2008270028.tif 000004
【図３】
2008270028.tif 000005