JP2003142131A

JP2003142131A - 燃料電池の排出水素処理装置

Info

Publication number: JP2003142131A
Application number: JP2002015128A
Authority: JP
Inventors: Tomoji Yamada; 知司山田; Yasuhiro Nonobe; 康宏野々部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2003-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池から排出されるガス中の水素を、安
全かつ迅速に処理することのできる排出水素処理装置を
提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜１２を挟んで水素極
１３と空気極１４を配置してなる燃料電池１において、
水素極１３から排出される水素を含む排出ガスを、空気
極１４から排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスと
して、排出水素処理装置２に導入し触媒燃焼させる。触
媒体２２は、ガス中の水素濃度が高い上流側触媒体２０
１の通路壁２１１厚さを、下流側触媒体２０２の通路壁
２１２より厚くして、単位体積当たりの熱容量を高めて
いるので、過昇温が抑制され、触媒体２２全体を、安全
かつ効率よく触媒燃焼可能な温度に保持できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、家庭用あるいは自
動車用発電機等に好適に用いられ、水素と酸素の化合反
応を利用して電気を取り出す燃料電池から排出される水
素を処理するための水素処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の環境汚染や地球温暖化といった問
題に対応するために、低公害の代替エネルギー車とし
て、電気自動車が注目されている。例えば、蓄電池を搭
載した電気自動車が既に実用化の段階に入っているが、
蓄電池式車両は、電池の蓄電能力との関係で、走行距離
が比較的短く、また、充電時間が長い等の問題があり、
汎用化の妨げとなっている。このため、これら問題を解
消し得る電気自動車として、燃料電池式車両の開発が急
務となっている。

【０００３】燃料電池は、一般に、高分子膜を挟んで水
素極と空気極を配置した単位セルを有し、水素極に水素
を含む燃料ガスを、空気極に空気を供給して発電を行う
ものである。この時、両極では、それぞれ下記式
（１）、（２）で表される反応が生じる。水素極：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）空気極：（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）

【０００４】ところが、燃料電池を車両に搭載する場
合、つまり移動式燃料電池では、設置式燃料電池におい
てさほど問題とならなかったことが大きな問題となる場
合がある。その１つに、純水素を搭載する燃料電池から
排出される水素の処理が挙げられる。これは、燃料電池
で発電する際に発生する水や、空気極で使用する空気中
の窒素の一部が、高分子膜を通過して水素極側に混入す
ると、水素濃度を低下させるということに起因してい
る。そこで、混入した不純物を排出する必要が生じ、そ
の一例として、一定時間毎に水素極側のガスを水素で置
換する方法がある。この場合、置換により排出されるガ
ス中には可燃性の水素が含まれるため、そのまま大気中
に放出することは好ましくなく、何らかの処理が必要と
なっている。

【０００５】ここで、水素を含む混合ガスの処理方法と
しては、従来、分析計等において水素透過膜を用いるこ
とにより（または混合ガス中の他の成分である窒素を分
離するための窒素透過膜を用いることにより）、水素を
分離回収する方法がある。また、水素を無害化して排出
する一般的な方法として、バーナーを付設して燃焼によ
り水素を除去する方法が考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池から排出されるガス量は、分析計等が扱う量に比べる
と桁違いに多く、圧力損失が増大して動力が増大する問
題がある。また、バーナーを付設する方法は、バーナー
で高温燃焼することにより、ＮＯｘが発生する問題があ
り、より安全かつクリーンに排出水素を処理する方法が
要求されている。

【０００７】また、発電時には、燃料電池から排出され
るガス中に、水分が多量に含まれる。一方で、運転状態
によっては水分を含まない、より高濃度で多量の水素を
含むガスが排出されることがある。例えば、水素を燃焼
させて処理した時に、水分を多量に含むガスに比べて水
分を含まないガスは燃焼しやすいため、温度が上昇し過
ぎるおそれがある。

【０００８】そこで、本発明は、純水素を燃料とする燃
料電池において、燃料電池から排出されるガス中の水素
を、大気中にそのまま放出することなく、安全かつ迅速
に処理することができ、さらに、運転状態に応じて排出
ガス中の水素や水分量が変動しても、過昇温等の不具合
が生じない排出水素処理装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、車両用のよう
な移動式燃料電池で、水素ガスをタンクや吸蔵合金とい
った貯蔵手段に蓄えて搭載するタイプの燃料電池におい
て、水や窒素が混入して発電に使用できなくなった水素
を含む排出ガスを、安全に処理するための簡素な装置を
提案するものである。そして、燃料電池の空気極側から
排出される排出ガスには、水素極側から排出される水素
を含む排出ガスを酸化するに十分な酸素が含まれること
や、水素は常温で触媒燃焼可能であることから、酸素を
支燃ガスとして触媒燃焼させる処理装置が有効であるこ
とを見出した。その際、水素は燃焼速度が非常に速く、
その反応速度は温度に大きく依存すること、そのため、
触媒と接した直後に急速に反応が進み、水素濃度が急激
に低下した後、緩やかに低下を続ける指数関数的な反応
を生じることに注目した。さらに、湿った触媒表面を乾
燥させながら反応を維持するためには、所定の水素量が
必要であるとともに、触媒温度が、水分の少ない乾燥し
たガスの排出時よりも低下することに着目して、運転状
態に応じた最適な触媒体構成および水素排出通路構成を
検討し、以下の手段を備える本発明に到達した。

【００１０】すなわち、本発明請求項１は、固体高分子
電解質膜を挟んで水素極と空気極を配置し、水素極に水
素ガスを、空気極に空気を供給して発電を行う燃料電池
において、上記水素極側から排出される水素を含む排出
ガスを処理するための装置を提案するものである。この
装置は、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側から
排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒燃
焼させる触媒体を備えており、導入されるガス中の水素
濃度分布に応じて上記触媒体の構造を変更することを特
徴とするものである。

【００１１】上記構成によれば、上記触媒体を用いて水
素を触媒燃焼させるので、バーナーで高温燃焼する場合
のようにＮＯｘが発生することがない。また、上記空気
極側から排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとし
て利用するので、新たな支燃ガス供給装置が不要であ
る。さらに、上記触媒体内の水素濃度分布は、一定では
なく、通常、触媒入口部で最も高く、温度上昇しやすい
ので、例えば、この部位で発生する熱を吸収し、また
は、発熱を抑制するように、水素濃度分布に応じて上記
触媒体の構造を変更すれば、局所的な温度上昇を防止す
ることができる。よって、簡素な構成で安全に効率よく
水素を処理することができる。

【００１２】上記課題を解決するための他の構成とし
て、請求項２の装置は、上記水素を含む排出ガスを、上
記空気極側から排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガ
スとして触媒燃焼させる触媒体を備えており、上記触媒
体を、導入されるガス中の水素濃度が高い部位における
体積当たりの熱容量が他の部位よりも高くなるように構
成している。

【００１３】上記したように、上記触媒体内の水素濃度
分布は、通常、触媒入口部で最も高く、温度上昇しやす
いので、この部位の熱容量を他の部位より高くすれば、
触媒表面で発生した熱を吸収して、触媒体の部分的な過
昇温を防止することができる。よって、簡素な構成で安
全に効率よく水素を処理することができる。

【００１４】上記課題を解決するための他の構成とし
て、請求項３のように、上記水素を含む排出ガスを、上
記空気極側から排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガ
スとして触媒燃焼させる触媒体を設けるとともに、上記
触媒体を、導入されるガス中の水素濃度が高い部位にお
ける、単位体積当たりの発熱量が、他の部位よりも小さ
くなるように構成することもできる。

【００１５】上記構成によれば、上記触媒体内の水素濃
度が高く、急激な温度上昇が起きやすい部位の発熱量を
小さくすることで、同様に、触媒体の部分的な過昇温を
防止することができる。よって、簡素な構成で安全かつ
高効率な水素処理装置が得られる。

【００１６】上記課題を解決するための他の構成とし
て、請求項４のように、上記水素を含む排出ガスを、上
記空気極側から排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガ
スとして触媒燃焼させる触媒体を設けるとともに、上記
触媒体を、導入されるガス中の水素濃度が高い部位にお
ける、単位体積当たりの触媒の担持面積が、他の部位よ
りも小さくなるように構成することもできる。

【００１７】上記構成によれば、上記触媒体内の水素濃
度が高く、急激な温度上昇が起きやすい部位の触媒担持
面積、すなわち発熱面積を小さくすることで、同様に、
触媒体の部分的な過昇温を防止することができる。よっ
て、簡素な構成で安全かつ高効率な水素処理装置が得ら
れる。

【００１８】または、請求項５のように、上記水素を含
む排出ガスを、上記空気極側から排出される酸素を含む
排出ガスを支燃ガスとして触媒燃焼させる触媒体を設け
るとともに、上記触媒体を、導入されるガス中の水素濃
度が高い部位の、単位面積当たりの触媒担持量が、他の
部位よりも少なくなるように構成することもできる。こ
のようにしても、発熱量を小さくして触媒体の部分的な
過昇温を防止する同様の効果が得られる。

【００１９】具体的には、請求項６のように、上記触媒
体を、ハニカム構造の担体に触媒を担持した構成とし
て、上記導入されるガス中の水素濃度が高い部位におけ
る、上記担体の通路壁の厚さを、他の部位よりも厚くす
る。これにより、この部位の熱容量が大きくなり、ま
た、触媒の担持面積も小さくなるので、発熱量自体が低
減し、上記効果を容易に得ることができる。

【００２０】あるいは、請求項７のように、上記触媒体
を、ハニカム構造の担体に触媒を担持した構成として、
上記導入されるガス中の水素濃度が高い部位における、
上記担体の通路断面積を大きくしてもよい。このように
すると、触媒の担持面積が小さくなり、発熱量が低減す
るので、上記効果を容易に得ることができる。

【００２１】請求項８の装置では、上記水素を含む排出
ガスを、上記空気極側から排出される酸素を含む排出ガ
スを支燃ガスとして触媒燃焼させる触媒体を設けるとと
もに、上記触媒体を、導入されるガス中の水素濃度が急
激に低下した部位における、単位体積当たりの水素処理
能力が、他の部位よりも大きくなるように構成する。

【００２２】上記触媒体内の水素濃度分布は、通常、触
媒入口部で最も高く、急速に反応が進んで急減するが、
その後は緩やかに低下を続ける。そこで、水素濃度がゆ
っくり減少する部位の処理能力を高めれば、触媒体のガ
ス流れ方向の長さを短くでき、小型化が図れる。また、
通常の処理能力では、水素の流れ始め、つまり触媒温度
が低くて活性が低い時に、水素が十分に反応しないまま
排出されるおそれがあるが、処理能力の高い部位を設け
ることで、排気エミッションの悪化を防止することがで
きる。しかも、定常時には水素濃度分布の低い部位であ
るので、処理能力を高くしても、必要以上に反応熱が発
生して過昇温となることがない。逆に、立ち上がり時に
は、この部位で反応が進みだせば、その輻射および伝熱
にて上流側の触媒入口部が活性化するので、部分的な過
昇温を抑制しつつ触媒体全体を活性化して効率よく処理
することができる。

【００２３】具体的には、請求項９のように、上記触媒
体をハニカム構造の担体に触媒を担持した構成とし、上
記導入されるガス中の水素濃度が急激に低下した部位に
おける、単位面積当たりの触媒担持量を、他の部位より
も多くすることで、単位面積当たりの水素反応量を増加
させる。このようにすると、水素濃度を所定のレベルま
で低下させるのに必要な触媒体のガス流れ方向の長さを
短くし、小型化できる。つまり、排出ガス中の大半の水
素が一気に反応した後は、排出ガス中の水素濃度が低く
なって、ガスと触媒表面の濃度勾配が小さくなる上、ガ
スが水素の発熱により体積膨張することによって流速が
増大する。すると、水素が徐々にしか反応しないため
に、水素量が少量であるにもかかわらず、処理に相当の
距離を要することになるが、上記構成とすることで、こ
れを回避し、小型化で処理能力を大きい装置が得られ
る。

【００２４】あるいは、請求項１０のように、上記触媒
体をハニカム構造の担体に触媒を担持した構成とすると
ともに、導入されるガス中の水素濃度が急激に低下した
部位における、単位体積当たりの触媒の担持面積が、他
の部位よりも大きくなるようにしてもよい。このように
しても同様の効果が得られ、水素濃度勾配とガス流速に
よる反応の低下を防止して、小型で処理能力が大きい装
置を実現できる。

【００２５】請求項１１のように、上記触媒体は、例え
ば、セラミック製または金属製のハニカム構造の担体を
用いて構成することができる。セラミックハニカム担体
は、型を用いた大量生産が可能で、コスト低減が可能で
ある。また、金属ハニカム担体は、金属の波板と平板を
重ね合わせて作成され、ギヤ歯車により波板を容易に加
工できる上、同じ波板を利用しても、山高さ等の変更が
容易なため、製作しやすく、安価である。また、セラミ
ック製では、熱膨張で割れが生じないように外周を支持
するセラミックシートを巻く必要があって、長手方向に
短い担体は作製しにくいため、このような場合には、金
属製とすると有利である。

【００２６】上記課題を解決するために、請求項１２の
装置では、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側か
ら排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒
燃焼させる触媒体を設けるとともに、上記触媒体をガス
流れの方向に複数に分割して、それぞれ異なる材質とす
る。この時、上流側にセラミック製の担体を用いた触媒
体を配置し、その下流側に金属製の担体を用いた触媒体
を配置すると、上記触媒体に導入されるガス中の水分を
セラミック担体に吸着させるとともに、金属担体部で発
生した熱の伝導および輻射で乾燥させることができる。

【００２７】発電中に燃料電池の空気極から排出される
ガスには、通常、多量の水蒸気が含まれるため、触媒表
面に水分が吸収されて、反応が進まず、水素の排出直後
のエミッションが悪化するおそれがある。そこで、上記
構成のように、上流側にセラミック担体を用いて水分を
吸収させることで、下流側への水分の流入が抑えられ、
ドライガスとなるため、速やかに反応が開始される。ま
た、下流側を金属担体としたので、急激に発生した熱を
熱伝導の良い担体全域に分散して、金属担体部の入口付
近で局所的な過昇温が生じるのを防止できる。金属担体
部で反応が開始されれば、水分を吸収したセラミック担
体部は、金属担体部からの熱で乾燥されるので、次の水
素排出までに空気極から排出される水分を十分吸収可能
である。

【００２８】請求項１３のように、上記触媒体の設置位
置は、上記空気極からの排出ガスを大気への放出するた
めの排出通路内とするとよい。上記水素極からの水素の
排出は連続的でなく、通常、ある時間間隔をおいて（例
えば、１０分に一度）排出される。一方、上記空気極か
らは、常時、ガスが排出されているので、この排出ガス
に上記触媒体を常に接触させることにより、水素が排出
されない間を利用して、上記触媒体を冷却することがで
きる。よって、上記触媒体の過度の昇温を避けるために
排出水素量を抑制する等の必要がなく、時間当たりに燃
焼させる水素量の増大が可能である。また、従来より、
燃料電池に常設される排出通路に上記触媒体を設置する
ことで、装置構成を簡単にし、省スペース化が図れる。

【００２９】好適には、請求項１４のように、上記触媒
体の設置位置を、上記排出通路内で、かつ大気への放出
口の近傍とするとよい。これにより、導入されるガスの
単位体積当たりの水分量を低下させることができる。つ
まり、燃料電池では、発電効率を上げるために、内部を
加圧状態とし、ほぼ飽和水蒸気となったガスを導入して
燃焼させるので、多量の水蒸気を含むガスが排出され
る。排出通路では出口に近いほど、ガスの圧力が低くな
り、気体として保持できる水分量が多いことから、ドラ
イに近い状態で上記触媒体に導入することができ、触媒
表面上で水分が凝結しにくくなる。よって、触媒と水蒸
気の衝突機会を低減させて、触媒の燃焼開始までの時間
を短縮できる。

【００３０】請求項１５のように、上記空気極側から排
出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒燃焼
させる触媒体を備える装置にて水素の処理を行うため
に、具体的には、上記水素極側から排出される水素を含
む排出ガスを上記触媒体に導くための水素排出通路と、
上記水素排出通路を開閉する開閉手段と、上記開閉手段
の開閉を制御し、上記水素排出通路を定期的に開放して
上記水素を含む排出ガスを上記触媒体に導入する制御手
段を設ける。該制御手段は、上記触媒体の予熱期間中、
上記開閉手段の開閉を短時間に繰り返して間欠的に上記
水素を含む排出ガスを導入する制御を行う。

【００３１】上記水素排出通路を定期的に開放して上記
水素を含む排出ガスを上記触媒体に導入する場合、触媒
を活性化するには、まず、例えば、少量の水素を導入し
て活性化させ、その後規定量の水素を排出する制御が容
易に考えられるが、これでは、水蒸気にさらされて活性
が低下している触媒に十分な反応を生起することができ
ず、エミッションは悪化する。これに対し、ある一定量
の水素を、ごく短時間に排出した場合は、触媒燃焼が一
部起きるため、投入された一部の水素は浄化される。こ
れを複数回繰り返した後に、所定量の水素を排出すれ
ば、触媒を初期から高い活性で使用でき、エミッション
を低く抑えることが防止できる。

【００３２】請求項１６の装置は、燃料電池の水素極側
から排出される水素を含む排出ガスを処理するための装
置であって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側
から排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触
媒燃焼させる触媒体を備えている。この装置では、上記
触媒体に、上記水素を含む排出ガスを導入するための通
路を設けるとともに、該通路を、上記触媒体の各部位が
所望の発熱量となるように、上記触媒体のガス流れ方向
の複数箇所に上記水素を含む排出ガスを分割して導入す
る構造としたことを特徴とする。

【００３３】上記構成では、上記触媒体の構造を変更す
る代わりに、上記触媒体に上記水素を含む排出ガスを導
入するための通路の構造を、上記触媒体の各部位が所望
の発熱量となるように変更する。上記触媒体の各部位の
発熱量は、導入される水素量で調整できるので、上記水
素を含む排出ガスを各部位に分割供給して、それぞれの
供給量を調整すれば、局所的な温度上昇を防止し、簡素
な構成で安全に効率よく水素を処理することができる。

【００３４】請求項１７の装置は、上記触媒体に、上記
水素を含む排出ガスを導入するための通路を設けるとと
もに、該通路に、上記触媒体のガス流れ方向の複数箇所
に上記水素を含む排出ガスを分割して導入する複数の分
岐路を設ける。そして、これら複数の分岐路を、対応す
る上記触媒体の各部位が所望の発熱量となるように構成
する。

【００３５】具体的には、上記複数の分岐路から、上記
水素を含む排出ガスを上記触媒体の各部位に導入すれ
ば、各分岐路の形状等を変更することで、上記触媒体の
各部位に導入するガス流量を調整することができる。よ
って、上記触媒体の各部位を所望の発熱量とし、局所的
な温度上昇等を防止して、安全に効率よい水素処理装置
とすることができる。

【００３６】請求項１８の装置は、上記触媒体に、上記
水素を含む排出ガスを導入するための通路を設け、該通
路に、上記触媒体のガス流れ方向の複数箇所に上記水素
を含む排出ガスを分割して導入する複数の分岐路を設け
る。さらに、これら複数の分岐路を、上記触媒体のガス
流れ方向の上流側に下流側よりも多くの上記水素を含む
排出ガスが導入される構造とする。

【００３７】通常の発電時には、水蒸気を多く含んだガ
スが排出されるため、触媒表面が濡れて反応が起こりに
くくなるが、上記触媒体の上流側により多くの上記水素
を含む排出ガスが導入される通路構成とすることで、上
流の触媒体において集中的に発熱させ、速やかに触媒を
活性化することができる。また、発電停止時や起動時
は、水素濃度が高く水蒸気量が少ないガスとなるが、上
記複数の分岐路により下流側の触媒体にもガスが導入さ
れるので、触媒体全体で発熱させ、安全かつ効率のよい
処理を行うことが可能になる。

【００３８】請求項１９のように、具体的には、上記複
数の分岐路の流路断面積を変更する。例えば、上記触媒
体の上流側に対応する分岐路の流路断面積を大きくし、
通気抵抗を小さくして、上記触媒体のガス流れ方向の上
流側に下流側よりも多くの上記水素を含む排出ガスが導
入されるようにすることができる。

【００３９】あるいは、請求項２０のように、上記複数
の分岐路の端部に設けられ、上記触媒体の各部位に上記
水素を含む排出ガスを導入するための導入口の開口面積
または数を変更することもできる。例えば、上記導入口
の開口面積を大きく、または数を多くすれば、導入され
るガス量が多くなるので、上記触媒体のガス流れ方向の
上流側に下流側よりも多くの上記水素を含む排出ガスが
導入されるようにすることができる。

【００４０】上記項２１の構成では、上記複数の分岐路
への上記水素を含む排出ガスの流入を制御する流路切替
手段を設ける。そして、燃料電池の発電時には、上記触
媒体のガス流れ方向の上流側に、上記水素を含む排出ガ
スのほぼ全量が導入されるように、流路切替を行い、発
電停止時または起動時には、上記触媒体のガス流れ方向
の下流側にも、上記水素を含む排出ガスが導入されるよ
うに、流路切替を行うことを特徴としている。

【００４１】発電時には、水蒸気を多く含んだガスが排
出され、乾燥したガスより触媒体の温度が上昇しにくい
ため、例えば、上記触媒体の上流側にガスを導入する分
岐路のみを開いて、上記水素を含む排出ガスのほぼ全量
を上流部に供給して、速やかに温度を上昇させることが
できる。一方、発電停止時や起動時は、水素濃度が高く
水蒸気量が少ないため、上記触媒体の下流側にガスを導
入する分岐路も開いて、触媒体全体で発熱させれば、よ
り安全に効率よく処理を行うことができる。

【００４２】上記項２２の構成では、上記触媒体の、ガ
ス流れ方向の前面に、発泡金属よりなる気液分離部材を
設ける。発泡金属は比表面積が非常に大きいので、その
表面で排出ガス中の水分を積極的に凝縮させて、除去す
ることができる。このようにすると、排出ガス中の水分
が上記触媒体内で凝縮して触媒表面を濡らすことがない
ので、触媒反応を促進して効率よい処理が可能になる。

【００４３】上記項２３の構成では、上記気液分離部材
のガス流れ方向の前面に、凝縮水が存在しやすい部位を
覆う遮蔽部材を設ける。凝縮水で触媒が濡れた部位に水
素を含むガスが流入すると、すり抜けが生じるので、凝
縮水がたまりやすい部位を覆うように気液分離部材を設
けることで、すり抜けを防止し、確実に水素を処理する
ことができる。

【００４４】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の第１の
実施の形態を説明する。図１は、自動車用の燃料電池シ
ステムの概略構成を示す図で、燃料電池１には、エアポ
ンプ等の空気供給手段３１と、高圧圧縮水素タンク等の
水素貯蔵手段３２が接続され、排出通路４には、触媒体
２２を備えた排出水素処理装置２が設置されている。燃
料電池１は、固体高分子電解質膜１２と、その一方の表
面に設けた空気極（陽極）１３と、他方の表面に設けた
水素極（陰極）１４からなる単位セル１１を主要部とし
て有し、この単位セル１１を、電極に接する表面にガス
流路となる溝を形成したセパレータ（図略）を介して、
多数積層することにより構成される。排出水素処理装置
２の上流側には、消音器５が設置されている。

【００４５】固体高分子電解質膜１２には、例えば、フ
ッ素樹脂系のプロトン導電性固体高分子電解質膜が用い
られる。空気極１３および水素極１４には、導電性とガ
ス透過性を兼ね備えた材料、例えば、カーボンクロスや
カーボンペーパ等が用いられ、電極反応を促進するため
の触媒を担持させることもできる。空気極１３で使用さ
れる酸素は、空気供給手段３１から加圧空気として供給
され、また、水素極１４で使用される水素は、水素貯蔵
手段３２から、同じく加圧ガスの状態で燃料電池１に供
給される。この時、水素極１４では、下記式（１）に示
す電極反応により水素イオンが生成する際に電子を放出
し、その電子が空気極１３側へ移動することによって発
電する。水素イオンは高分子電解質膜１２内を通って、
空気極１３に達し、下記式（２）に示す電極反応により
水が生成する。Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）なお、電池全体の反応は、式（３）のようになる。Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・（３）

【００４６】ここで、上記式（１）のように、水素は水
素極１４でイオンに分解され、固体高分子電解質膜１２
内を空気極１３側へ拡散していく。従って、水素極１４
からの排出ガスは、理論上は、電極反応で使用されなか
った余剰の水素ガスのみとなり、これをポンプ等の水素
循環手段３３を用いて、水素貯蔵手段３２からの水素供
給経路へ循環させ、水素極１４で使用された分の水素が
新たに供給させるシステムとすれば、発電を継続するこ
とができるはずである。ところが、実際には、固体高分
子電解質膜１２を通って空気極１３側の窒素や生成水が
水素極１４側に流入するために、水素循環手段３３を用
いて水素を循環させる運転を続けると、水素極１４側の
水素濃度が先の不純物によって低下する。そこで、水素
濃度を一定以上に保つため、定期的に水素極１４側のガ
スを排出して水素を導入する水素置換を行う。

【００４７】具体的には、水素循環手段３３と排出通路
４とを接続する水素排出通路４１を設けて、該水素排出
通路４１に電磁バルブ等の開閉手段３４を設置する。開
閉手段による水素排出通路４１の開閉は、制御手段３５
を用いて制御することができ、例えば１０分に一度、数
秒間、水素排出通路４１を開放して、水素を含む排出ガ
スを排出通路４へ排出する。この定期的な水素排出時の
制御の詳細は後述する。排出通路４は、空気極１３側か
ら排出される酸素を含む排出ガスを大気へ放出するため
の通路であり、本発明では、この酸素を含む排出ガスを
支燃ガスとして、排出水素処理装置２に導入し、水素を
含む排出ガスを触媒燃焼させて水素濃度を十分低減させ
た後、排出する。また、空気極１３側から排出される酸
素を含む排出ガスは、運転中、常に排出されるので、水
素の排出による発熱で高温となった排出水素処理装置２
内の触媒体２２は、次の水素排出までにガス温度まで冷
却される。

【００４８】なお、図のように、消音器５を設ける場合
には、排出水素処理装置２を、消音器５の下流側に配置
することが望ましい。これは、排出通路４内が下流側ほ
ど、つまり大気への放出口に近いほど低圧力となり、ガ
スの単位体積当たりの水分量が少なくなるためである。
バーナー等、一般的な燃焼器は、騒音低減等の観点から
消音器５の上流側に配置されることが多いが、本発明で
は、比較的低温で触媒燃焼させるため、凝縮水の発生に
よる温度低下等を回避する目的で、上記位置に設置す
る。また、消音器５を上流側に設置することにより、水
素を含む排出ガスと酸素を含む排出ガスが、消音器５内
で良好にミキシングされて排出水素処理装置２を導入さ
れ、燃焼効率を向上させる利点もある。

【００４９】排出水素処理装置２は、筒状容器２１内
に、水素を触媒燃焼させるための触媒体２２を配設して
なる。図２に詳細を示すように、触媒体２２は、ガス流
れの上流側に位置する上流側触媒体２０１と、下流側に
位置する下流側触媒体２０２とに区画されており、これ
ら触媒体２０１、２０２は、いずれも、ガスの流れ方向
と平行な多数の通路を有するハニカム構造の担体に、触
媒を担持して形成されている。ここで、本実施の形態で
は、上流側触媒体２０１の通路壁２１１が、下流側触媒
体２０２の通路壁２１２より厚くなるように形成する。
上流側触媒体２０１の通路と下流側触媒体２０２の通路
の断面積、単位面積当たりの触媒担持量は同じとする。

【００５０】この時、壁厚を厚くした上流側触媒体２０
１は、単位面積当たりの熱容量が、下流側触媒体２０２
よりも大きくなる。一方、壁厚が厚いと各通路の表面積
は小さくなるので、単位体積当たりの発熱面積、すなわ
ち、触媒の担持面積は上流側触媒体２０１の方が、下流
側触媒体２０２よりも小さくなる。触媒体２２に導入さ
れる排出ガス中の水素濃度は、入口に近い上流側端部で
最も高く、従って、発熱量も多くなりやすいが、本実施
の形態では、この部分の熱容量を大きくして、熱を吸収
しやすくしたので、過度の昇温が防止される。また、触
媒の担持面積（担持量）を小さくしたので、発生する熱
自体が小さくなる。

【００５１】上流側触媒体２０１および下流側触媒体２
０２の長手方向長は、次のようにして設定する。触媒体
２２内の水素濃度分布は、一般に、入口部で最も高く、
急速に反応が進んで急減した後、緩やかに低下を続け
る。つまり、触媒体の壁厚が一定である場合（上流側触
媒体２０１の壁厚を厚くしていない場合）、図３に点線
で示すように、触媒体２２の上流側（図にｘで示す領
域）で水素が触媒と接触して急速に反応が進み、触媒体
２２温度も急上昇するが、次いで、水素濃度の減少とと
もに触媒体２２温度も急減する。触媒体２２の下流側
（図にｙで示す領域）では、水素濃度と同様、緩やかに
温度が低下して、距離ｙでほぼ目標温度となる。そこ
で、図２のように、これらｘ、ｙに対応させて、上流側
触媒体２０１と下流側触媒体２０２の長手方向の長さ
ｘ、ｙを設定する。こうすることで、濃度の高いガスが
供給され続け、触媒体温度が比較的高い領域ｘの温度を
低く抑えることが可能となる。

【００５２】上記構造の触媒体２２を製作する場合に
は、まず、例えば、ジルコニア等のセラミックを通常の
方法で型成形・焼成して所定形状の担体を作製し、触媒
溶液に浸漬することにより、上流側触媒体２０１と下流
側触媒体２０２とを、それぞれ別体に製作した後、密着
させて一体化すればよい。なお、ジルコニア等のセラミ
ック担体は、成形が簡単で量産しやすい利点があるが、
担体の材質は、これに限らず、例えば、金属製の担体を
用いることもできる。金属担体は、水分を含みにくく、
熱伝導がよいので濃度分布が少なくできる。

【００５３】本実施の形態の作動を次に説明する。図１
の燃料電池１に、空気供給手段３１から空気を、水素貯
蔵手段３２から水素を供給すると、上記式（１）、
（２）のように反応し、発電する。水素貯蔵手段３２か
ら供給される水素は、循環手段３３によって循環され、
水素貯蔵手段３２からは実質発電で消費された水素量だ
けが供給される。ただし、循環される間に、空気極１３
から窒素や水蒸気が混入し水素濃度が低下して一定濃度
以下となると発電に使用できなくなるため、開閉手段３
４を開いて、水素排出通路４１から排出通路４に排出
し、排出水素処理装置２内で触媒燃焼させてクリーンな
ガスとする。

【００５４】触媒体２２に導入された水素は、空気極１
３から排出される酸素を含むガスを支燃ガスとして燃焼
する。ここで、上述したように、触媒体２２内の水素濃
度分布は、一般に、入口部で最も高く、急速に反応が進
んで温度上昇するが、触媒体２２は、上流側触媒体２０
１の壁厚を下流側触媒体２０２より厚くしており、熱容
量が大きいために、熱を吸収しやすい。また、触媒担持
面積が小さいので、発熱量自体を抑制できる。

【００５５】触媒体の熱容量は、定常運転時にはあまり
影響するものではないが、本装置のように水素を含むガ
スが間欠的に供給され、短時間に大きな発熱を伴う場合
には、触媒体２２の上流側触媒体２０１を熱吸収体とし
て使用することで、過度の発熱を抑制することができ
る。その効果は図３に明らかで、壁厚が一定である場合
に比べて、壁厚が厚い上流側触媒体２０１が熱を吸収す
るとともに、発熱面積が小さくなることによって、触媒
体温度の上昇が小さくなり、最高温度が大きく低下して
いる。上流側触媒体２０１で反応しなかった水素が燃焼
するために、下流側触媒体２０２内に入ると触媒体温度
が再び上昇し、その後、低下してほぼ一定温度となる。

【００５６】このように、上記構成によれば、過度の温
度上昇を抑制しつつ触媒体２２全体で効果的に触媒燃焼
することができ、安全かつ効率よく排出水素を処理する
ことができる。また、排出水素処理装置２を、空気極１
３の排出通路４に設置したので、支燃ガス供給のための
新たな装置を設ける必要がなく、構成を簡略化し、コス
トを低減できる。

【００５７】図４に本発明の第２の実施の形態における
触媒体２２構成を示す。上記第１の実施の形態では、上
流側触媒体２０１が過昇温となりやすい点に着目して、
その温度上昇を抑制する構成を示したが、本実施の形態
では、図４（ａ）のように、下流側触媒体２０２の単位
面積当たりの触媒担持量を、上流側触媒体２０１よりも
多くして、下流側触媒体２０２の燃焼効率を高め、触媒
体２２の小型化を図っている。上流側触媒体２０１と下
流側触媒体２０２は、同一構造の担体を用いて一体に形
成されており、通路断面積、壁厚は同じである。

【００５８】同一の担体を用いて上流側触媒体２０１と
下流側触媒体２０２とで触媒担持量を変えるには、触媒
濃度の異なる２種類の触媒溶液を用意し、担体の一方の
端面から長さｘの部分を低濃度の触媒溶液に浸漬して、
上流側触媒体２０１とするとともに、残る長さｙ´の部
分を他方の端面側から高濃度の触媒溶液に浸漬して、下
流側触媒体２０２とすればよい。

【００５９】一般に、触媒体２２内の水素濃度は、図５
（ｂ）に示すように、入口部で最も高く、急速に反応が
進んで距離ｘまでに急減し、その後は緩やかに低下を続
けて距離ｙでほぼ所定の低濃度となる。つまり、上流側
触媒体２０１と下流側触媒体２０２の単位面積当たりの
触媒担持量が同じ場合、水素濃度を所定濃度以下とする
には、下流側触媒体２０２の長手方向長さを距離ｙに対
応する長さとする必要があり、体格が大きくなる（図５
（ａ））。

【００６０】これに対し、本実施の形態では、下流側触
媒体２０２の触媒担持量が多く、反応性が高まって温度
も上昇しやすいので、触媒燃焼量が増加する。よって、
図４（ｂ）のように、距離ｙよりも短い距離ｙ´で、水
素濃度を十分低くすることができ、下流側触媒体２０２
の長さをその分短くできるので、触媒体２２をコンパク
トにし、小型で処理能力の高い装置とすることができ
る。また、下流側触媒体２０２の処理能力を高めたこと
で、水素の流れ始め、つまり触媒温度が低くて活性が低
い時でも、水素の反応が進み、エミッションの悪化を防
止することができる。しかも、下流側触媒体２０２は、
定常時の水素濃度分布が低いので、処理能力を高くして
も、必要以上に反応熱が発生して過昇温となることがな
い。逆に、立ち上がり時には、この部位で反応が進みだ
せば、その輻射および伝熱にて上流側の触媒入口部が活
性化するので、部分的な過昇温を抑制しつつ触媒体全体
を活性化して効率よく処理することができる。

【００６１】図６に本発明の第３の実施の形態における
触媒体２２構成を示す。本実施の形態では、上流側触媒
体２０１と下流側触媒体２０２を構造の異なる担体を用
いて構成し、図６（ａ）のように、下流側触媒体２０２
の担体を、通路断面積が上流側触媒体２０１よりも小さ
く、壁厚も薄く形成した担体とする。単位面積当たりの
触媒担持量は、上流側触媒体２０１と下流側触媒体２０
２とで同じとする。

【００６２】上記構成によれば、壁厚が薄い下流側触媒
体２０２は、熱容量が小さいので、触媒体温度が高くな
りやすく、反応定数が大きくなるので処理量が増大す
る。また、通路断面積が小さく、単位体積当たりの発熱
面積（触媒担持面積）が大きくなることも触媒燃焼量の
増加に寄与する。よって、上記第２の実施の形態と同
様、下流側触媒体２０２の長手方向の長さをｙ´と短く
することができ、また、立ち上がり時には、下流側触媒
体２０２で水素の反応が進み、エミッションの悪化を防
止するとともに、上流側触媒体２０１の活性化を促進す
る効果が得られる。

【００６３】図７に本発明の第４の実施の形態における
触媒体２２構成を示す。本実施の形態では、上流側触媒
体２０１と下流側触媒体２０２を構造の異なる担体を用
いて構成し、図７（ａ）のように、上流側触媒体２０１
にジルコニア等のセラミック担体を用い、下流側触媒体
２０２には金属担体を用いる。下流側触媒体２０２を構
成するは金属担体は、金属箔よりなる平板２３と波板２
４を図７（ｂ）のように重ねて積層しても、重ねたもの
を巻き回してハニカム状としてもよい。金属担体を用い
る下流側触媒体２０２は、上流側触媒体２０１よりも壁
厚が薄く、また、通路断面積が小さくなるように形成し
てある。

【００６４】金属担体は、セラミック担体よりも、単位
体積当たりの熱容量を小さくできるため、これを下流側
触媒体２０２に用いれば、運転初期の触媒体２２が湿っ
た状態でも、早期に活性化できる上、定常燃焼時には、
水素濃度の薄いガスとのみ接触するので、過昇温のおそ
れがない。一方、燃料電池の空気極から排出されるガス
には、通常、多量の水蒸気が含まれるため、触媒表面に
水分が吸収されて、反応が阻害されるおそれがあるが、
セラミック担体は、担体自身が水分を吸収するため、こ
れを上流側触媒体２０１に用いると、ガスのドライ化に
大きく貢献する。また、吸収された水分は、下流側の金
属担体で発生する熱の伝導および輻射で乾燥される。

【００６５】さらに、金属担体は、金属箔の厚みや波板
のピッチ、山の高さを変更することで、形状の変更が容
易にできるので、本発明のように、上流側触媒体２０１
と下流側触媒体２０２で担体の熱容量や触媒担持面積を
変更する場合に、製作が容易になる。また、セラミック
担体では保持が難しくなる長手方向に短い形状も、容易
に製作、設置することができる。

【００６６】図８は、水素極１４からの排出ガスを、水
素排出通路４１から排出通路４に排出する際の、制御手
段３５による開閉手段３４の開閉制御の一例である。水
素極１４の水素濃度を一定以上に保持するには、図示す
るように、定期的に（例えば１０分に一度）、電磁バル
ブ等の開閉手段３４を開いて、水素を含む排出ガスを排
出する必要がある。この時、図中、破線で示すように、
所定のガス量の全量を一度に排出する方法が一般的であ
るが、この方法では、触媒体２２が活性化していない排
出水素処理装置２内に、水素濃度の比較的高いガスが流
入するために、始動初期の排出水素濃度が一時的に目標
値を越えてしまう。また、活性化後は触媒燃焼量が増大
して触媒体２２が高温となりやすい。

【００６７】このため、図中、実線で示すように、制御
手段３５により、開閉手段３４の開閉を短時間に繰り返
す制御を行って、触媒体２２の予熱期間中、触媒が活性
化する程度の水素を間欠的に排出水素処理装置２内に導
入する。このように、ある程度高濃度の水素ガスを、ご
く短時間に導入することで、水蒸気で湿った触媒表面を
乾燥させて、瞬時に活性化し、始動初期の排出水素を目
標値より低く抑えると同時に、効果的に触媒を活性化で
きる。これを適当な回数繰り返した後に、残りの水素を
排出すれば、効率よく触媒燃焼を行うことができ、排気
エミッションの優れた装置が実現する。

【００６８】このように、本発明によれば、空気極１３
からの排出ガスを利用した簡易かつ高性能な排出水素処
理装置が実現できる。また、触媒体２２は、過昇温が起
きやすい部位には、熱容量の比較的高い担体を用いた
り、触媒担持量や発熱面積を変化させることで、容易に
過昇温を解消し、あるいは、通常、水素濃度・触媒温度
が低く、水素処理効率の低い部位には、触媒担持量や発
熱面積を増加することで、処理能力を高めた構成とし
て、触媒体２２の小型化を可能にしている。さらに、制
御方法を最適化することで、立ち上がり時のエミッショ
ンの悪化や、過昇温を防止することができる。

【００６９】なお、上記各実施の形態で示した上流側触
媒体２０１および下流側触媒体２０２の構成や制御方法
は、それぞれ単独で用いても、目的に応じていくつかを
組み合わせてもよく、さらに良好な排出水素処理を行う
ことができる。

【００７０】また、上記各実施の形態では、排出水素処
理装置２上流の排出通路４に、水素循環手段３３からの
水素排出通路４１を接続して、水素を含む排出ガスを触
媒体２２の前面に導入したが、水素排出通路４１を分岐
し、触媒体２２の複数の部位に水素を含む排出ガスを導
入するようにしてもよく、運転状態に応じたより適切な
処理が可能となる。その一例を次に示す。

【００７１】図９は、本発明の第５の実施の形態におけ
る燃料電池システムの概略構成である。図示するよう
に、本実施の形態では、上記図１に示した燃料電池シス
テムにおいて、水素貯蔵手段３２から燃料電池１へ至る
通路の途中にバルブ３６を、水素極１４から水素循環手
段３３へ至る通路の途中にバルブ３７をそれぞれ設けて
いる。これにより、発電を停止した時に、バルブ３６、
３７を閉じて燃料電池１内に水素を閉じ込め、水素極１
４側からの水素の漏れや消費を回避することが可能とな
る。ただし、発電中の燃料電池１内は加圧状態となって
おり、これに対して空気極１３側は停止後まもなく大気
圧になるため、圧力差により水素極１４側から空気極１
３側へ水素が移動して両極ともに高濃度の水素を含む混
合ガスが充満することになる。この場合、燃料電池１を
再起動する時に、水素極１４側には水素を、空気極１３
側には空気を流して混合ガスをパージする必要が生じ
る。

【００７２】そこで、本実施の形態では、制御手段３５
により、発電停止時にバルブ３６を閉じた後、水素極１
４が大気圧になるまでバルブ３７を開放し、開閉手段３
４を開いて水素極１４側のガスを水素排出通路４１に排
出する。これにより、両極間の圧力差を解消し、ガスを
混合を最小限に抑えることができる。水素極１４が大気
圧になったらバルブ３７、開閉手段３４は閉じる。

【００７３】この発電停止時に排出されるガスは、発電
中に排出されるガスよりも水素濃度が高く、また支燃ガ
スとなる空気極１３側の排出ガスもアイドリング相当と
少な上、電極反応で生成する水分を含まないため乾燥し
ている。このため、全量を触媒体２２の前面に導入する
と、触媒反応が急激に立ち上がって、過昇温を起こしや
すい。これを回避するため、本実施の形態では、触媒体
２２をガス流れ方向に３分割して配置する一方、水素排
出通路４１を分岐して、各分岐路４１Ａ、４１Ｂ、４１
Ｃから、分割された触媒体２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの前
面にそれぞれ水素を含む排出ガスが導入される構成とす
る。この時、最上流の触媒体２２Ａに、他の触媒体２２
Ｂ、２２Ｃより多くのガスが供給されるようにし、前段
の触媒による燃焼ガスが流れるために温度が高くなる後
段側において、ガス導入量がより少なくなるようにする
とよい。

【００７４】例えば、図１０に示す構成では、最上流の
分岐路４１Ａを構成する管の管径が最も大きく、下流の
分岐路４１Ｂ、４１Ｃの管径が順次、小さくなるように
する。各分岐路４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの端部に開口し
て触媒体２２Ａ、２２Ｂ、２２にガスを導入する導入口
４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃの径は、ここでは同径とし、数
はいずれも１つとしている。管径の異なる管で分岐路を
構成すると、管内圧損に応じた流量が導入口から吹き出
すので、上流側ほど多くのガスが供給されるようにする
ことができる。

【００７５】上記構成によれば、発電停止時に水素濃度
の高い乾燥したガスが、比較的短時間に多量に排出され
ても、水素排出通路４１の分岐路４１Ａ、４１Ｂ、４１
Ｃから、分割された触媒体２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃのそ
れぞれに水素を含むガスが導入されるので、最上流の触
媒体２２Ａが局所的に過熱するのを防止できる。また、
図１０のように上流から下流へ向けて分岐路４１Ａ、４
１Ｂ、４１Ｃの管径を小さくして、上流側でガス導入量
が多くなり下流側ほど少なくなるようにしたので、高温
の燃焼ガスが流れることにより下流側の触媒体２２Ｂ、
２２Ｃが過熱することもない。図１１は、排出水素処理
装置２の長手方向距離と燃焼ガス温度の関係を示すもの
で、触媒体２２全体で発熱させて、過昇温を防ぎつつ触
媒燃焼させることができる。なお、起動時も、発電開始
直後は、水分を含まないガスが排出されるが、同様にし
て過昇温を抑制することができる。

【００７６】また、通常の発電時には、水蒸気を多く含
んだガスが排出されるため、乾燥したガスより触媒反応
が起こりにくくなるが、触媒体２２を、最上流の触媒体
２２Ａに他の触媒体２２Ｂ、２２Ｃよりも多くの水素が
供給されるように構成したので、最上流の触媒体２２Ａ
で集中的に発熱し、速やかに温度が上昇して優れた浄化
性能を発揮する。このように、本実施の形態によれば、
発電中および発電停止時のいずれにも好適に用いられ、
状態の異なる排出ガス中の水素を、安全にしかも効果的
に触媒反応させることができ、エミッションを低く抑え
ることができる。

【００７７】図１２、図１３は、分岐路４１Ａ、４１
Ｂ、４１Ｃの構成の他の例である。例えば、図１２のよ
うに、分岐路４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの管径をいずれも
同じにした場合には、触媒体２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに
水素を含むガスを導入する導入口４３Ａ、４３Ｂ、４３
Ｃの径または数を変更することにより、流量を調整して
もよい。ここでは最上流の触媒体２２Ａの導入口４３Ａ
の径を、他の導入口４３Ｂ、４３Ｃより大きくする。ま
た、最下流の触媒体２２Ｃの導入口４３Ｃの数を、他の
導入口４３Ｂ、４３Ｃより少なくしている。このように
しても、上流から下流に向けて水素を含むガスの吹き出
し量が少なくなる。

【００７８】あるいは、図１３のように、分岐路４１
Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの管径、導入口４４Ａ、４４Ｂ、４
４Ｃの径および数は同じとし、分岐路４１Ａと分岐路４
１Ｂの間の水素排出通路４１にバルブ６を設けて、運転
状態に応じてバルブ６を開閉する構成としてもよい。す
なわち、通常の発電時のように、水蒸気を含む反応しに
くいガスを処理する際には、制御手段３５によりバルブ
６を閉じ、最上流の触媒体２２Ａに分岐路４１Ａの導入
口４４Ａから水素を含むガスの全量が吹き出すようにす
る。一方、発電停止直後は、水素濃度が高く水蒸気量が
少ないガスとなるので、制御手段３５によりバルブ６を
開き、下流側の触媒体２２Ｂ、２２Ｃにも分岐路４１
Ｂ、４１Ｃの導入口４４Ｂ、４４Ｃから水素を含むガス
が導入されるようにする。また、この構成において、各
触媒体２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの温度を検出する手段を
設け、その結果をフィードバックさせてバルブ６の開閉
を制御すれば、より均一な温度に触媒体２２を制御で
き、安全で効率のよい処理を行うことが可能になる。

【００７９】なお、上記の構成にして水分を含む６０〜
７０℃程度のガス中で、触媒体２２Ａにほぼ常温の水素
ガスを供給することにより、局所的にガス温度を下げ
て、しかも、触媒体２２Ａの表面にて水分を凝縮させる
ことができる。よって、下流の触媒体２２Ｂ、２２Ｃに
供給されるガスをできるだけ乾燥させて、触媒が不活性
となるのを防止する効果も期待できる。

【００８０】図１４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第６の
実施の形態における排出水素処理装置２構成を示すもの
で、触媒体２２の前面に、発泡金属よりなる気液分離部
材７を密接して配置する。気液分離部材７は、触媒体２
２と同径の円板状で、比表面積が非常に大きい発泡金属
の表面で、導入されるガス中の水分を積極的に凝縮させ
る。凝縮水は重力により下方に落下、除去される。これ
により、触媒体２２が冷えている時に、凝縮水で触媒表
面が濡れ、活性が低下するのを防止する。また、凝縮水
で触媒が不活性となった部位に、水素を含むガスが流入
するとすり抜けが生じるので、凝縮水がたまりやすい触
媒体２２下部を覆うように、気液分離部材７の前面に、
略円弧状の遮蔽部材８を配設する。これら気液分離部材
７と遮蔽部材８、触媒体２２は互いに密接に配置される
ので、反応が開始されて触媒体２２の温度が上昇する
と、水分は再び蒸発して排出される。

【００８１】なお、発泡金属は、内部の気孔が互いに連
通しており、ガス流れに平行な流れ以外にもガスが流通
する。よって、触媒体２２の、遮蔽板８でふさがれた部
位にも、いくらかの水素を含むガスが流入し、触媒反応
が生起するため、触媒体２２を無駄にする割合が少なく
て済み、効率的に浄化作用を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の排出水素処理装置
を含む燃料電池システムの全体構成を示す概略図であ
る。

【図２】第１の実施の形態における触媒体の拡大斜視図
である。

【図３】触媒体の長手方向距離と触媒体温度の関係を示
す図である。

【図４】第２の実施の形態を示し、（ａ）は触媒体の拡
大斜視図、（ｂ）は触媒体の長手方向距離と水素濃度の
関係を示す図である。

【図５】単位面積当たりの触媒担持量を一定とした場合
を示し、（ａ）は触媒体の拡大斜視図、（ｂ）は触媒体
の長手方向距離と水素濃度の関係を示す図である。

【図６】第３の実施の形態を示し、（ａ）は触媒体の拡
大斜視図、（ｂ）は触媒体の長手方向距離と水素濃度の
関係を示す図である。

【図７】第４の実施の形態を示し、（ａ）は触媒体の拡
大斜視図、（ｂ）は担体構成を説明するための部分拡大
図である。

【図８】制御手段による水素の排出方法を説明するため
のタイムチャートである。

【図９】本発明の第５の実施の形態における燃料電池シ
ステムの全体構成を示す概略図である。

【図１０】第５の実施の形態における触媒体と分岐路の
概略構成を示す拡大斜視図である。

【図１１】排出水素処理装置の長手方向距離と燃焼ガス
温度の関係を示す図である。

【図１２】分岐路構成の他の例を示す拡大図である。

【図１３】分岐路構成の他の例を示す拡大斜視図であ
る。

【図１４】第６の実施の形態における触媒体構成を示す
拡大図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。

【符号の説明】

１燃料電池１１単位セル１２電解質膜１３空気極１４水素極２排出水素処理装置２２触媒体２０１上流側触媒体２０２下流側触媒体２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ触媒体３１空気供給手段３２水素貯蔵手段３３水素循環手段３４開閉手段３５制御手段３６バルブ３７バルブ４排出通路４１水素排出通路４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ分岐路５消音器６バルブ７気液分離部材８遮蔽部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ０１Ｊ 35/04 ３０１Ｂ０１Ｊ 35/04 ３０１ＢＨ０１Ｍ 8/06 ＷＨ０１Ｍ 8/06 8/10 8/10 Ｂ０１Ｄ 53/36 ＺＦターム(参考） 4D048 AA30 AB01 AC06 BB02 BB12 BB15 BB16 CC21 CC32 CC38 CC44 4G069 AA01 CA04 CA07 CA11 DA06 EA19 EA25 5H026 AA06 EE02 EE11 5H027 AA06 BA13 BA19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と空
気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を供
給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側から
排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置で
あって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側から
排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒燃
焼させる触媒体を備えており、導入されるガス中の水素
濃度分布に応じて上記触媒体の構造を変更することを特
徴とする燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項２】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と空
気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を供
給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側から
排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置で
あって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側から
排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒燃
焼させる触媒体を備えており、上記触媒体を、導入され
るガス中の水素濃度が高い部位の、単位体積当たりの熱
容量が、他の部位よりも高くなるように構成したことを
特徴とする燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項３】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と空
気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を供
給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側から
排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置で
あって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側から
排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒燃
焼させる触媒体を備えており、上記触媒体を、導入され
るガス中の水素濃度が高い部位の、単位体積当たりの発
熱量が、他の部位よりも小さくなるように構成したこと
を特徴とする燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項４】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と空
気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を供
給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側から
排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置で
あって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側から
排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒燃
焼させる触媒体を備えており、上記触媒体を、導入され
るガス中の水素濃度が高い部位の、単位体積当たりの触
媒の担持面積が、他の部位よりも小さくなるように構成
したことを特徴とする燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項５】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と空
気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を供
給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側から
排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置で
あって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側から
排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒燃
焼させる触媒体を備えており、上記触媒体を、導入され
るガス中の水素濃度が高い部位の、単位面積当たりの触
媒担持量が、他の部位よりも少なくなるように構成した
ことを特徴とする燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項６】上記触媒体が、ハニカム構造の担体に触
媒を担持してなり、上記導入されるガス中の水素濃度が
高い部位の、上記担体の通路壁の厚さを、他の部位より
も厚くした請求項１ないし５のいずれか記載の燃料電池
の排出水素処理装置。
【請求項７】上記触媒体が、ハニカム構造の担体に触
媒を担持してなり、上記導入されるガス中の水素濃度が
高い部位の、上記担体の通路断面積を大きくした請求項
１ないし５のいずれか記載の燃料電池の排出水素処理装
置。
【請求項８】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と空
気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を供
給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側から
排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置で
あって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側から
排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒燃
焼させる触媒体を備えており、上記触媒体を、導入され
るガス中の水素濃度が急激に低下した部位の、単位体積
当たりの水素処理能力が、他の部位よりも大きくなるよ
うに構成したことを特徴とする燃料電池の排出水素処理
装置。
【請求項９】上記触媒体が、ハニカム構造の担体に触
媒を担持してなり、上記導入されるガス中の水素濃度が
急激に低下した部位の、単位面積当たりの触媒担持量
が、他の部位よりも多い請求項８記載の燃料電池の排出
水素処理装置。
【請求項１０】上記触媒体が、ハニカム構造の担体に
触媒を担持してなり、上記導入されるガス中の水素濃度
が急激に低下した部位の、単位体積当たりの触媒の担持
面積が、他の部位よりも大きい請求項８記載の燃料電池
の排出水素処理装置。
【請求項１１】上記触媒体をセラミック製または金属
製のハニカム構造の担体を用いて構成する請求項１ない
し１０のいずれか記載の燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項１２】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と
空気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を
供給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側か
ら排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置
であって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側か
ら排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒
燃焼させる触媒体を備えており、上記触媒体をガス流れ
の方向に複数に分割し、上流側にセラミック製の担体を
用いた触媒体を配置するとともに、その下流側に金属製
の担体を用いた触媒体を配置することを特徴とする燃料
電池の排出水素処理装置。
【請求項１３】上記触媒体の設置位置を、上記空気極
からの排出ガスを大気への放出するための排出通路内と
した請求項１ないし１２のいずれか記載の燃料電池の排
出水素処理装置。
【請求項１４】上記触媒体の設置位置を、上記空気極
からの排出ガスを大気への放出するための排出通路内
で、かつ大気への放出口の近傍とした請求項１ないし１
２のいずれか記載の燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項１５】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と
空気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を
供給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側か
ら排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置
であって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側か
ら排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒
燃焼させる触媒体を備えており、上記水素極側から排出
される水素を含む排出ガスを上記触媒体に導くための水
素排出通路と、上記水素排出通路を開閉する開閉手段
と、上記開閉手段の開閉を制御し、上記水素排出通路を
定期的に開放して上記水素を含む排出ガスを上記触媒体
に導入する制御手段を設け、上記制御手段は、上記触媒
体の予熱期間中、上記開閉手段の開閉を短時間に繰り返
して間欠的に上記水素を含む排出ガスを導入する制御を
行うことを特徴とする燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項１６】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と
空気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を
供給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側か
ら排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置
であって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側か
ら排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒
燃焼させる触媒体を備えており、上記触媒体に、上記水
素を含む排出ガスを導入するための通路を設けるととも
に、該通路を、上記触媒体の各部位が所望の発熱量とな
るように、上記触媒体のガス流れ方向の複数箇所に上記
水素を含む排出ガスを分割して導入する構造としたこと
を特徴とする燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項１７】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と
空気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を
供給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側か
ら排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置
であって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側か
ら排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒
燃焼させる触媒体を備えており、上記触媒体に、上記水
素を含む排出ガスを導入するための通路を設けるととも
に、該通路に、上記触媒体のガス流れ方向の複数箇所に
上記水素を含む排出ガスを分割して導入する複数の分岐
路を設け、かつこれら複数の分岐路を、対応する上記触
媒体の各部位が所望の発熱量となるように構成したこと
を特徴とする燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項１８】固体高分子電解質膜を挟んで水素極と
空気極を配置し、水素極に水素ガスを、空気極に空気を
供給して発電を行う燃料電池において、上記水素極側か
ら排出される水素を含む排出ガスを処理するための装置
であって、上記水素を含む排出ガスを、上記空気極側か
ら排出される酸素を含む排出ガスを支燃ガスとして触媒
燃焼させる触媒体を備えており、上記触媒体に、上記水
素を含む排出ガスを導入するための通路を設けるととも
に、該通路に、上記触媒体のガス流れ方向の複数箇所に
上記水素を含む排出ガスを分割して導入する複数の分岐
路を設け、かつこれら複数の分岐路を、上記触媒体のガ
ス流れ方向の上流側に下流側よりも多くの上記水素を含
む排出ガスが導入される構造としたことを特徴とする燃
料電池の排出水素処理装置。
【請求項１９】上記複数の分岐路の流路断面積を変更
して、上記触媒体のガス流れ方向の上流側に下流側より
も多くの上記水素を含む排出ガスが導入されるようにし
た請求項１８記載の燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項２０】上記複数の分岐路の端部に設けられ、
上記触媒体の各部位に上記水素を含む排出ガスを導入す
るための導入口の開口面積または数を変更して、上記触
媒体のガス流れ方向の上流側に下流側よりも多くの上記
水素を含む排出ガスが導入されるようにした請求項１８
記載の燃料電池の排出水素処理装置。
【請求項２１】上記複数の分岐路への上記水素を含む
排出ガスの流入を制御する流路切替手段を設け、燃料電
池の発電時には、上記触媒体のガス流れ方向の上流側
に、上記水素を含む排出ガスのほぼ全量が導入され、発
電停止時または起動時には、上記触媒体のガス流れ方向
の下流側にも、上記水素を含む排出ガスが導入されるよ
うに、流路切替を行う請求項１８記載の燃料電池の排出
水素処理装置。
【請求項２２】上記触媒体の、ガス流れ方向の前面
に、発泡金属よりなる気液分離部材を設けた請求項１な
いし２１のいずれか記載の燃料電池の排出水素処理装
置。
【請求項２３】上記気液分離部材のガス流れ方向の前
面に、凝縮水が存在しやすい部位を覆う遮蔽部材を設け
た請求項２２記載の燃料電池の排出水素処理装置。