(57)【要約】【課題】  起動に制約を加えることなく外部へ排出する水素の量を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】  燃料電池１からの排水素を排出するための水素排気間１９から水素バイパス配管１１を分岐させ、この水素バイパス配管１１の経路中に、水素の供給によって触媒組成の還元作用を呈する酸化触媒１２を設ける。そして、燃料電池１からの排水素の量が多いときには、排水素を水素バイパス配管１１内に導入し、酸化触媒１２によって処理して外部に排出する。また、酸化触媒１２には酸化用空気供給配管２２から空気が供給されるようにして、必要に応じて酸化触媒１２の活性化を図る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池からの排水素を外部に排出する水素排気管と、
前記水素排気管から分岐されると共に、下流において前記水素排気管と再び合流される水素バイパス配管と、
前記水素バイパス配管への排水素の導入を制御する制御弁とを備え、
前記水素バイパス配管の経路中に、水素の供給によって触媒組成の還元作用を呈する酸化触媒が設けられると共に、当該酸化触媒に空気を供給するための空気配管が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の排水素出口に水素量検出手段を有し、
前記水素量検出手段での検出値が所定値を越えた場合に、前記制御弁を切り替えて前記バイパス配管に排水素を導入させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記バイパス配管への排水素の導入量が所定量以上となった場合に、前記制御弁を切り替えて前記バイパス配管への排水素の導入を遮断することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バイパス配管内の酸化触媒を加熱する加熱手段を有し、
システム起動直後は、前記加熱手段によって酸化触媒を加熱することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記バイパス配管内の酸化触媒の温度を検出する温度検出手段を有し、
前記加熱手段による酸化触媒の加熱を行う際に、前記温度検出手段による検出値に基づいて、前記酸化触媒の温度を所定の温度に保つように温度調節することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化触媒の温度が所定温度以下の場合、前記燃料電池の運転が制限されることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素排気管の経路中に燃焼器が設けられ、
前記バイパス配管は、前記燃焼器の上流側から分岐され、前記燃焼器の下流において前記水素排気管と再び合流されることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃焼器の下流に第２の酸化触媒が設けられていることを特徴とする請求項７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、水素と空気の供給によって発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、未処理の排水素の放出を低減するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。
【０００３】
燃料電池システムは、燃料となる水素及び酸素（空気）を燃料電池の水素極及び空気極に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。このような燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給された水素や空気は、燃料電池内の流路を流れる過程で発電に使用された後、外部に排出される。また、燃料電池に供給された水素を循環させて再利用するシステムにおいても、システム起動時や所定のタイミングで水素パージが行われることによって、外部に排出されることになる。
【０００４】
ところで、水素は可燃性であるため、高濃度の水素を含む排気ガスが外部に大量に排出されることは好ましくなく、このような観点から、未処理の水素の放出を回避する技術が提案されている（例えば、特許文献１等を参照。）。
【０００５】
例えば、特許文献１記載の技術では、燃料電池から排出される排水素を全て酸化触媒で処理するようにしている。ただし、酸化触媒の暖機が完了していないと未処理まま水素が排出される可能性がある。特に、燃料電池の起動及び停止が繰り返し行われる場合には、水素の濃度が高まり易く、短期間に起動及び停止が繰り返されると、システムの暖機が進行せず、未処理の水素が排出されやすい状態が継続されることから、未処理の水素が排出される可能性が高い。そこで、特許文献１記載の技術では、燃料電池システムの起動が指示された場合に、過去の起動履歴に基づき、比較的短い期間に起動停止が繰り返し行われていた場合には、システムの起動を禁止することで、未処理の水素の大量放出を回避するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−１９８０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１記載の技術では、起動時において過去の履歴を基に起動の可否を判断し、比較的短い期間に起動停止が繰り返し行われていた場合には、システムの起動を禁止することで未処理の水素の排出を抑えるようにしているので、起動したいタイミングでシステムの起動が行えない場合があるという問題点がある。また、以上のような制御は、システム起動後には適用されず、運転中に未処理の水素を大量に排出してしまう可能も残している。
【０００７】
本発明は、以上のような従来技術の欠点を解消すべく創案されたものであって、起動に制約を加えることなく外部へ排出する水素の量を低減させることが可能で、起動後の運転中においても、例えば水素パージ等を行う際に、燃料電池から排出される排水素量が規定値を越える場合には、これを速やかに酸化触媒で処理して外部への排出水素量を低減させ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】
【０００８】
上述の目的を達成するために、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池からの排水素を外部に排出する水素排気管から水素バイパス配管を分岐させ、制御弁の切り替えによって、燃料電池からの排水素をこの水素バイパス配管に導入できるようにしている。そして、この水素バイパス配管の経路中に、水素の供給によって触媒組成の還元作用を呈する酸化触媒を設けると共に、この酸化触媒に空気を供給するための空気配管を設けるようにしている。
【０００９】
以上のような本発明の燃料電池システムでは、例えばシステム起動時等において所定値を越える排水素が燃料電池から排出された場合、これを水素バイパス配管に導いて、酸化触媒で処理する。したがって、濃度の高い排水素がそのまま外部に排出されることはない。特に、燃焼器による処理と前記酸化触媒に処理とを組み合わせることにより、未処理水素の排出が大幅に低減される。また、所定量の排水素を処理した酸化触媒は、空気配管により供給される空気（酸素）によって常に活性化されている。そのため、前記特許文献１記載の技術のように、酸化触媒の温度が上がって活性化するまで待つ必要がなく、直ちにシステムの起動を行うことができ、起動に制約が加わることがない。さらに、本発明の燃料電池システムでは、システム起動後の運転時に、例えば水素パージが行われることにより排水素量が急激に上昇した場合にも、同様の処理が行われ、外部へ排出される排水素の量が低減される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システムによれば、空気供給により適宜活性化される酸化触媒により必要に応じて排水素を処理するようにしているので、起動に制約を加えることなく外部へ排出する未処理水素の量を低減させることが可能である。また、システム起動後の運転中、例えば水素パージ等を行う際に、排出される排水素量が規定値を越えた場合にも、速やかに酸化触媒で処理し外部への排出水素量を低減することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの主要部分の構成を示すものである。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料である水素及び酸化剤である酸素（空気）の供給により発電を行う燃料電池１を備えており、この燃料電池１に燃料として水素を直接供給する、いわゆるダイレクト水素方式の燃料電池システムとして構成されている。
【００１３】
燃料電池１は、水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１４】
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１５】
この燃料電池１には温度センサ２が設置されており、燃料電池システムの制御コントローラが、この温度センサ２からの情報を基に燃料電池１の運転状態を把握して、各種制御を行うようになっている。
【００１６】
以上のような燃料電池１において発電を行うには、燃料電池１を構成する各発電セルの水素極や空気極に燃料となる水素や酸化剤である空気をそれぞれ供給する必要があり、燃料電池システムには、そのための機構として水素供給系及び空気供給系が設けられている。
【００１７】
水素供給系は、水素を貯蔵する水素タンク３、当該水素タンク３から供給される水素の圧力を所望圧力まで減圧する圧力制御弁４、圧力調整された水素を燃料電池１に導く水素供給管５、水素供給管５内を流れる水素の流体エネルギを利用して水素を循環させるエゼクタ６、燃料電池１の水素極から排出される排水素を外部に排出する水素排気管７、排水素を再利用するための水素循環配管８を備えて構成される。
【００１８】
水素供給源である水素タンク３から供給される水素は、圧力制御弁４で所定の圧力に減圧された後、水素供給管５を通り、エゼクタ６で燃料電池１通過後の排水素と混合されて、燃料電池１の水素極に送り込まれる。燃料電池１では供給された水素が全て消費されるわけではなく、発電に寄与しなかった余剰の水素（燃料電池１の水素極から排出される排水素）は、水素循環配管８を通ってエゼクタ６により循環され、水素タンク３から新たに供給される水素と混合されて、再び燃料電池１の水素極に供給される。
【００１９】
また、燃料電池１の出口側、すなわち水素排気管７には、水素パージ弁９が設けられている。水素を循環させて再利用する燃料電池システムにおいては、水素を循環させることによって燃料電池１内部や水素循環配管８内に窒素やＣＯ等の不純物が蓄積し、この不純物が過剰に蓄積されると水素分圧の降下に伴って、燃料電池１の効率が低下することになる。また、システムを長時間停止させた後は、燃料電池１内部や水素循環配管８内の水素分圧が時間経過に伴って低下することになる。そこで、このような燃料電池システムでは、不純物濃度が高くなった場合やシステム起動時には、水素パージ弁９を開放し、燃料電池１内部や水素循環配管８内のガスをパージするようにしている。
【００２０】
また、水素排気管７における水素パージ弁９の下流位置には、燃料電池１の水素極から排出されて水素排気管７を流れる水素量を検出するための水素センサ１０が設けられている。なお、この水素センサ１０としては、水素流量を直接検出するものの他、排水素圧力を検出する圧力センサや水素パージ弁９の開放時間を測定する手段を用い、水素排気管７を流れる水素量を間接的に検出するようにしてもよい。
【００２１】
さらに、本実施形態の燃料電池システムにおいては、前記水素排気管７から分岐するようにして水素バイパス配管１１が設けられ、その経路中に酸化触媒１２が設けられている。ここで、バイパス配管１１は、当該バイパス配管１１への排水素の導入を制御する制御弁である三方弁１３を介して水素排気管７から分岐され、下流側で再び水素排気管７と合流されている。また、酸化触媒１２としては、水素の供給によって触媒組成の還元作用を呈するものがまた、酸化触媒１２には、その温度を検出するための温度センサ１４が設けられるとともに、暖機用の電気ヒータ（図示は省略する。）が備えられている。
【００２２】
前述の通り、燃料電池１内部や水素循環配管８内の不純物濃度が高くなった場合及びシステム起動時には、水素パージ弁９が開放されて水素パージが行われるが、本実施形態の燃料電池システムでは、そのときの水素量を前記水素センサ１０で検知し、水素量が閾値以上の場合には、三方弁１３によりパージされた排水素を水素バイパス配管１１の酸化触媒１２に導くようにしている。その結果、排水素は、酸化触媒１２中の酸素と反応することにより酸化処理され、その後、外部へと排出されることになる。
【００２３】
一方、空気供給系は、燃料電池１の空気極に空気を送り込むためのコンプレッサ１５と、フィルタ１６、空気供給管１７、供給される空気を加湿する加湿装置１８、燃料電池１の空気極からの排ガスを排出するための空気排気管１９及び排気バルブ２０とを備えて構成される。
【００２４】
空気を吸入、圧送するコンプレッサ１５により空気供給管１７内に圧送された空気は、フィルタ１６により、マイクロダスト、硫黄分、コンプレッサ１５から排出されるオイル等がトラップされて浄化される。清浄化された空気は、空気供給管１７の経路中に設けられた加湿装置１８において加湿され、燃料電池１の空気極に供給される。なお、加湿装置１８の下流位置には温湿度センサ２１が設けられ、この温湿度センサ２１によって加湿装置１８通過後の空気に含まれる湿度が計測される。燃料電池１の空気極からの排ガスは、空気排気管１９から排出されるが、燃料電池１の下流に設けられた排気バルブ２０によって、空気系の圧力が所望の圧力に制御される。
【００２５】
また、空気供給管１７において、ガス加湿手段１８の上流位置からは、水素供給系の水素バイパス配管１１の経路中に設けられた酸化触媒１２に導かれる酸化用空気供給配管２２が分岐されている。この酸化用空気供給配管２２の中途位置には、バルブ２３が設けられており、酸化触媒１２への空気供給の制御は、このバルブ２３によって行われる。
【００２６】
以上のように構成される本実施形態の燃料電池システムにおいて、排水素の処理動作は次のような制御フローに従って行われる。図２に、本実施形態の燃料電池システムにおけるシステム起動後の動作のフローチャートを示す。
【００２７】
本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動後、各種センサからの情報の読み込みを行う（ステップＳ１）。そして、先ず、水素バイパス配管１１の経路中に設けられた酸化触媒１２の温度を検出する温度センサ１４の検出値Ｃｅが、所定の閾値Ｃｔｈ以下となっているか否かを判断する（ステップＳ２）。なお、ここでの閾値Ｃｔｈは、酸化触媒１２に使用する触媒の種類等に応じて最適値に設定すればよく、例えば２０℃に設定される。
【００２８】
そして、温度センサ１４の検出値Ｃｅが閾値Ｃｔｈ以下である場合には、酸化触媒１２に触媒活性不良の可能性があるものと認識し、燃料電池１の運転を制限して、酸化触媒１２に付設された電気ヒータに通電し、酸化触媒１２の暖機促進を図る（ステップＳ３）。すなわち、燃料電池１に対して水素タンク３からの水素供給を開始させる前段階として、電気ヒータによる酸化触媒１２の加熱を行って、酸化触媒１２の酸化還元作用が進行しやすい雰囲気を作っておく。そして、酸化触媒１２の暖機が完了した後に、水素タンク３からの水素供給を開始させる（ステップＳ４）。なお、電気ヒータの通電状態は、温度センサ１４の検出値Ｃｅに応じて制御され、酸化触媒１２の温度が所定の温度に保たれるように温度調整が行われる。
【００２９】
一方、温度センサ１４の検出値Ｃｅが閾値Ｃｔｈを越えている場合には、酸化触媒１２の触媒活性が良好な状態にあると認識し、電気ヒータへの通電による加熱を行うことなく、ステップＳ４に進んで水素タンク３からの水素供給を開始させる。
【００３０】
次に、水素供給開始から所定時間経過後に、水素パージ弁９を開放して水素パージを行い（ステップＳ５）、このときの水素センサ１０による検出値Ｖｈを読み込む（ステップＳ６）。そして、この水素センサ１０による検出値Ｖｈが、所定の閾値Ｖｔｈを越えたか否かを判断する（ステップＳ７）。なお、ここでの閾値Ｖｔｈは、未処理で排出したときに問題となると考えられる水素量を基準に設定すればよく、例えば１００Ｌ／分に設定される。
【００３１】
そして、水素センサ１０による検出値Ｖｈが閾値Ｖｔｈを越えた段階で、三方弁１３を水素バイパス配管１１側が開放されるように切り替えて、水素バイパス配管１１への排水素の導入を開始させる（ステップＳ８）。これにより、排水素は酸化触媒１２によって酸化処理されてから外部に排出されることになる。
【００３２】
水素バイパス配管１１への排水素導入を開始したら、排水素の導入時間Ｔｈ１を読み込んで（ステップＳ９）、水素バイパス配管１１への排水素の導入時間Ｔｈ１が所定の閾値Ｔｔｈ１を越えたか否かを判断する（ステップＳ１０）。なお、ここでの閾値Ｔｔｈ１は、酸化触媒１２の触媒能力や量に応じて設定され、例えば３００秒に設定される。
【００３３】
そして、水素バイパス配管１１への排水素の導入時間Ｔが閾値Ｔｔｈ１を越えた段階で、三方弁１３を水素バイパス配管１１側が閉塞されるように切り替えて、水素バイパス配管１１（酸化触媒１２）への排水素の導入を停止させる（ステップＳ１１）。その後、酸化用空気供給配管２２に設けられたバルブ２３を開け、酸化用空気供給配管２２から酸化触媒１２を再活性化させるための空気を送り込む（ステップＳ１２）。
【００３４】
酸化触媒１２を再活性化させるための空気の送り込みを開始したら、その送り込み時間Ｔｈ２を読み込んで（ステップＳ１３）、空気送り込み時間Ｔｈ２が所定の閾値Ｔｔｈ２を越えたか否かを判断する（ステップＳ１４）。なお、ここでの閾値Ｔｔｈ２は、酸化触媒１２の種類や量に応じて設定され、例えば６０秒に設定される。
【００３５】
そして、空気送り込み時間Ｔｈ２が閾値Ｔｔｈ２を越えた段階で、酸化用空気供給配管２２に設けられたバルブ２３を閉じ、酸化用空気供給配管２２から酸化触媒１２への空気の送り込みを停止させる（ステップＳ１５）。
【００３６】
その後、水素パージが終了したかどうか、すなわち水素パージ弁９が閉じられたかどうかを判断し（ステップＳ１６）、水素パージが終了したらそのまま処理を終了する。一方、水素パージが継続している場合には、三方弁１３を再度水素バイパス配管１１側が開放されるように切り替えて、水素バイパス配管１１への排水素の導入を再度開始させ（ステップＳ１７）、ステップＳ９に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。
【００３７】
なお、以上は、システム起動後に実行される動作内容について説明したが、システム運転中に水素パージを行う際にも同様の動作が実行される。ただし、システム運転中の水素パージ時には、水素バイパス配管１１の経路中に設けられた酸化触媒１２の暖機は完了しているものと考えられるので、ステップＳ１からステップＳ４の動作は省略され、ステップＳ５以降の動作が実行されることになる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１からの排水素を排出する水素排気管７から水素バイパス配管１１を分岐させ、この水素バイパス配管１１の経路内に、水素供給によって触媒組成の還元作用を呈する酸化触媒１２を設けて、三方弁１３の切り替えによって水素バイパス配管１１内に導入された排水素を酸化触媒１２により酸化処理して排出するようにしているので、空気（酸素）供給がない状態でも外部への排出水素量を低減させることができる。
【００３９】
また、水素バイパス配管１１内の酸化触媒１２に所定の基準以上の水素を供給した場合、酸化触媒１２中の酸素が消費されてしまって、排出水素濃度を低減させることができなくなるが、本実施形態の燃料電池システムでは、酸化用空気供給配管２３から酸化触媒１２に空気が供給されるようにしており、酸化触媒１２への排水素の供給量が基準値に達したときには水素バイパス配管１１への排水素の導入を遮断して、酸化用空気供給配管１２から酸化触媒１２に空気を供給して酸化触媒１２に酸素を保持させるようにしているので、酸化触媒１２を安定化させて、酸化触媒１２の触媒作用を長期に亘って維持させることができる。
【００４０】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃焼電池１の水素極出口に設けた水素センサ１０により排水素の量を監視し、水素センサ１０の検出値が所定の閾値を越えた場合に水素バイパス配管１１に水素を導入して酸化触媒１２に供給するようにしているので、必要に応じて効率的に排水素濃度の低減を行うことができる。
【００４１】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、水素バイパス配管１１内の酸化触媒１２を加熱するための加熱手段（電気ヒータ）を設け、システム起動直後で酸化触媒１２の温度が低い場合には、この加熱手段により酸化触媒１２を加熱して酸化還元作用が進行しやすい雰囲気を作っているので、反応を効率よく進行させることができる。加えて、酸化触媒１２の温度を検出する温度センサ１４を設け、この温度センサ１４の検出値に応じて加熱手段を制御して、酸化触媒１２の触媒活性が良好となる所定の温度に保つように温調しているので、酸化還元反応をより一層効率良く進行させることができる。また、酸化触媒１２が所定の温度に達するまで燃料電池１の発電（水素の供給）を制限しているので、高濃度の水素排出を確実に防止することができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムでは、図３に示すように、水素排気管７の経路中に燃焼器２４が設けられ、燃料電池１からの排水素を主にこの燃焼器２４で排空気を用いて燃焼させることで水素濃度の低減を図るようにしている。また、燃焼器２４で起こる燃焼反応の熱エネルギを吸収する熱交換器２５の後段に、水素バイパス配管１１内に設けられる酸化触媒１２と同様の酸化触媒２６が直列に設置されており、燃焼器２４での燃焼反応後の排気中に水素が残っていた場合でも、この酸化触媒２６によってこの残留水素を酸化処理できるようにしている。
【００４３】
また、この第２の実施形態の燃料電池システムでは、燃焼器２４の上流側から分岐して、燃焼器２４の下流において燃焼器排気管２７（この燃焼器排気管２７も水素排気管に相当する。）と合流するように、水素バイパス配管１１が設けられている。そして、寒冷地でのシステム起動時等、燃焼器２４による燃焼が行えない、或いは燃焼器２４での燃焼に時間がかかるような状況においては、第１の実施形態と同様に、燃料電池１からの排水素を水素バイパス配管１１の経路中に設けられた酸化触媒１２によって処理するようにしている。また、燃焼器２４による燃焼が可能な状況であっても、燃料電池１からの排水素の量が多い場合には、その一部を水素バイパス配管１１内に導入して酸化触媒１２によって処理することで、燃焼器２４の負担を軽減させることも可能である。
【００４４】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃焼器２４に供給する水素量の一部を酸化触媒１２で処理することが可能であり、また、特に寒冷地における起動時等のように燃焼器２４の温度が低すぎて機能しないような状況においても、排水素を処理して外部に排出する水素量を低減することが可能である。また、本実施形態では、燃焼器２４と直列に酸化触媒２６を設置しているので、燃焼器２４による燃焼後の排ガス中に残留水素が含まれている場合であっても、燃焼器２４直後の酸化触媒２６によってこれを処理して、排出ガスの水素濃度を低下させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態の燃料電池システムの起動時における動作フローを示すフローチャートである。
【図３】第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  燃料電池
７  水素排気管
９  水素パージ弁
１１  水素バイパス配管
１２  酸化触媒
１３  三方弁
１４  温度センサ
２２  酸化用空気供給配管
２４  燃焼器
２５  燃焼器排気管
２８  酸化触媒
【図１】
2005038787.tif 000003
【図２】
2005038787.tif 000004
【図３】
2005038787.tif 000005