JP2008257933A - 燃料電池システム及び燃料ガス供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、運転停止を伴う定期的なメンテナンス作業を必要とせずに、燃料ガス中の付臭剤を除去することが可能な技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に付臭剤を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、燃料ガス供給部から燃料電池に送られる燃料ガスを冷却することによって、付臭剤を凝縮又は昇華させて分離する付臭剤分離部とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に付臭剤を含む燃料ガス中の付臭剤を除去するための技術に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給し、また、カソード側に酸化ガスを供給して、アノード及びカソードにおける電気化学反応を利用して発電する。一般に、燃料ガスには、漏洩を早期に検知するために付臭剤が付加されて用いられる。しかしながら、付臭剤は、触媒被毒の原因となり燃料電池の出力特性を劣化させることが多い。そこで、燃料電池システムとして、燃料電池に燃料ガスを供給する前に燃料ガスから付臭剤を除去する付臭剤除去部を備えるものが提案されている（下記特許文献１，２参照）。

特開２００２−２９７０１号公報 特開２００４−１１１１６７号公報

付臭剤除去部では、一般に、燃料ガス中の付臭剤を吸着したり吸収したりして除去するようにしている。ところが、付臭剤除去部の吸着／吸収可能な付臭剤の量には限界がある。そこで、上記特許文献１，２に記載の燃料電池システムでは、多量の付臭剤を吸着して付臭剤除去性能が劣化した場合には、付臭剤除去部を交換するようにしている。しかしながら、定期的なメンテナンス作業を要するものであり、ユーザにとって大きな負担となっていた。また、付臭剤除去部を交換する際には、燃料ガス中の付臭剤を除去できなくなるため燃料電池システムの運転を停止しなければならなかった。

本発明は、燃料電池システムにおいて、運転停止を伴う定期的なメンテナンス作業を必要とせずに、燃料ガス中の付臭剤を除去することが可能な技術を提供することを目的とする。

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、燃料電池と、前記燃料電池に付臭剤を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、前記燃料ガス供給部から前記燃料電池に送られる前記燃料ガスを冷却することによって、前記付臭剤を凝縮又は昇華させて分離する付臭剤分離部と、を備えることを要旨とする。

本発明の燃料電池システムでは、燃料ガス供給部から送られる燃料ガスを冷却することによって付臭剤を分離するので、燃料電池の運転停止を伴う定期的なメンテナンス作業を必要とせずに、燃料ガス中の付臭剤を除去することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記付臭剤分離部は、前記燃料ガス自体が前記付臭剤分離部において断熱膨張することによって冷却するように構成されているようにしてもよい。

このようにすることで、燃料ガス自体が冷却するので、外部から燃料ガスを冷却させるための冷却装置が不要となり、燃料電池システムの製造コストの上昇を抑制することができる。

上記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池からの排出ガスを排出するための排出流路と、前記排出流路を流れる前記排出ガスに、前記付臭剤を付加するための付臭剤付加部と、を備え、前記付臭剤付加部は、前記付臭剤分離部によって分離された付臭剤を前記排出ガスに付加するようにしてもよい。

このようにすることで、排出流路においても排出ガスに含まれる燃料ガスの漏洩を早期に検知することができる。また、分離して得られた付臭剤を再利用するので、予め付臭剤を用意しておいて排出ガスに付加する構成に比べて、燃料電池システムの運用コストの上昇を抑制することができる。

上記燃料電池システムは、さらに、前記排出流路において前記付臭剤付加部よりも下流側に、前記付臭剤付加部によって付加された付臭剤について水素化を行う水素化部を備えるようにしてもよい。

このようにすることで、排出ガス中の付臭剤が水素化されるので、排出ガスを殆ど無臭の状態として排出することができる。

上記燃料電池システムは、さらに、前記燃料ガス供給路に設けられた付臭剤除去部と、流路切替部と、を備え、前記燃料ガス供給路は、前記付臭剤除去部を通って前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する第１の副供給路と、前記付臭剤除去部を通らずに前記付臭剤分離部を通って前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する第２の副供給路と、を有し、前記付臭剤除去部は、前記燃料ガスに含まれる前記付臭剤を吸着又は吸収することによって除去し、前記流路切替部は、前記第１の副供給路と前記第２の副供給路とのうち、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための供給路を切り替えるようにしてもよい。

このようにすることで、付臭剤除去部における除去性能を再生させるために付臭剤除去部の交換等の作業を行う際に、第２の副供給路に切り替えることで燃料電池システムの運転を停止せずに済む。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料ガス供給方法としても実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、ガスタンク２１０と、付臭剤分離部２２０と、付臭剤付加部２３０と、水素化部２４０と、２つのポンプ２６１，２６２と、２つの遮断弁２７１，２７２と、空気ブロア３１０と、制御部５００と、を備えている。

燃料電池１００は、固体高分子型の燃料電池であり、電解質膜（図示省略）を備えている。ガスタンク２１０には、付臭剤が混合された水素ガス（以下、「混合ガス」と呼ぶ）が比較的高い圧力（７００気圧）で貯蔵されている。なお、本実施例では、付臭剤として、ｔ−ブチルメルカプタン（ＴＢＭ）が用いられる。

なお、付臭剤としては、ＴＢＭに代えて他の付臭剤を用いることができる。例えば、１−ペンテンを用いることもできる。また、２−メチル１−ブテン、アレン、エチルアレン、１，４−ペンタジエン、１−ブチン、スチレン、ビニルアセチレン、オクテン、デセン、プロピレン、イソブテン、ジイシブチレン、イソプレン、シクロペンテン、シクロペンタジエン、１，３−シクロヘキサジエン、１−ビニルシクロヘキセン−１，５−エチリデン−２−ノルボルネン、シクロヘキセン、１−メチルピロール、ピラジン、２，３−ジメチルピラジン、２−プロピルピラジン、２−ピコリン、α，ｐ−ジメチルスチレン、クメン、リモネン、メシチレン、３−メチルインドール、ミルセン、α―ピネン、１−オクタノール、２−アルコキシ−３−アルキルピラジン、２−メトキシ−３−エチルピラジン、２−メトキシ−３−ｎ−プロピルピラジン、２−メトキシ−３−ｉｓｏ−プロピルピラジン、２−メトキシ−３−ｎ−ブチルピラジン、２−メトキシ−３−ｉｓｏ−ブチルピラジン、２−エトキシ−３−メチルピラジン、２−エトキシ−３−エチルピラジン、２−エトキシ−３−ｎ−プロピルピラジン、２−エトキシ−３−ｉｓｏ−プロピルピラジン、２−エトキシ−３−ｎ−ブチルピラジン、２−エトキシ−３−ｉｓｏ−ブチルピラジン、２，３−ブタンジオール、または、これらの混合物を用いることもできる。

付臭剤分離部２２０は、混合ガス通路２１１と、燃料ガス供給通路２０１と、付臭剤排出路２３１と、に接続されている。付臭剤付加部２３０は、付臭剤排出路２３１を介して付臭剤分離部２２０と接続され、また、燃料オフガス通路２０２に接続されている。水素化部２４０は、燃料オフガス通路２０２に設けられている。ポンプ２６１は、付臭剤排出路２３１に配置されている。ポンプ２６２は、燃料ガス循環通路２０３に配置されている。遮断弁２７１は、混合ガス通路２１１に配置されている。遮断弁２７２は、燃料オフガス通路２０２に配置されている。なお、これら２つの遮断弁２７１，２７２は、いずれも電磁弁である。空気ブロア３１０は、大気を燃料電池１００に送り込む。制御部５００は、図示せざるＣＰＵやメモリを備えており、２つの遮断弁２７１，２７２と、２つのポンプ２６１，２６２と、空気ブロア３１０と、付臭剤付加部２３０と、を制御する。

なお、ガスタンク２１０は、請求項における燃料ガス供給部に相当する。

燃料電池１００のカソード側には、電解質膜（図示省略）での電気化学反応に用いる反応ガス（酸化ガス）として、空気が供給される。具体的には、空気ブロア３１０によって送り込まれた空気が、酸化ガス供給通路３０１を介して燃料電池１００に供給される。また、燃料電池１００から排出されるカソード側のオフガスは、酸化オフガス通路３０２を介して大気へと放出される。

一方、燃料電池１００のアノード側には、反応ガス（燃料ガス）として、水素ガスが供給される。具体的には、ガスタンク２１０に貯蔵されている混合ガスが、混合ガス通路２１１を介して付臭剤分離部２２０に流入する。付臭剤分離部２２０は、混合ガス中の付臭剤を分離する。そして、分離後の水素ガスが燃料ガス供給通路２０１を介して燃料電池１００に供給される。付臭剤を分離して水素ガスを燃料電池１００に供給するのは、燃料電池１００内部の触媒が付臭剤によって被毒されないようにするためである。

図２は、図１に示す付臭剤分離部２２０の詳細構成を示す説明図である。付臭剤分離部２２０は、減圧室２２１を備えている。この減圧室２２１には、混合ガス通路２１１と、燃料ガス供給通路２０１と、付臭剤排出路２３１とが接続されている。混合ガスは、比較的細い混合ガス通路２１１を通って減圧室２２１に導かれ、減圧室２２１内に放出される。

ここで、減圧室２２１内部の圧力は、下流の燃料ガス供給通路２０１（図１）や、燃料ガス循環通路２０３や、燃料オフガス通路２０２における圧損で定められる圧力となり、例えば、比較的低圧である５気圧となる。そうすると、比較的高圧（７００気圧）の混合ガスが、減圧室２２１において一気に５気圧まで減圧することで断熱膨張が起こる。本実施例では、「断熱膨張」とは、外部との熱のやりとりがなく膨張する理想的な場合のみならず、外部と多少の熱のやりとりをしながら膨張する現実的な場合（但し、準静的過程による膨張を除く）も含む。そして、断熱膨張によって混合ガス自体が冷却するので、混合ガスに含まれる付臭剤は凝縮して減圧室２２１の壁面等に付着する。そして、この凝縮した付臭剤は、自身の重みで減圧室２２１の壁面を伝って開口２２２から付臭剤排出路２３１に流入する。このように、付臭剤分離部２２０では、混合ガスを断熱膨張させて混合ガス自体を冷却することで付臭剤を分離するので、付臭剤を分離する能力が劣化することがない。したがって、付臭剤分離部２２０について定期的なメンテナンスは殆ど必要なくなる。

図１に戻って、燃料電池１００から排出されるアノード側のオフガス（燃料オフガス）は、ポンプ２６２によって、燃料ガス循環通路２０３を介して燃料ガス供給通路２０１に戻される。なお、燃料オフガス内に含まれる過剰な水蒸気は、図示せざる気液分離器によって除去される。このように燃料オフガスを燃料ガス供給通路２０１に戻すことで、燃料オフガス中に含まれる水素ガス（化学反応に用いられなかった水素ガス）を再利用することができる。しかしながら、電気化学反応が進むに連れて、燃料オフガスには、カソード側の酸化ガス（空気）に含まれる窒素ガスや水蒸気（生成水）などが電解質膜（図示省略）を介して浸入する。そうすると、燃料オフガス内の水素濃度が次第に低下することとなる。そこで、本実施例では、制御部５００によって、遮断弁２７２を間欠的に開状態となるように制御し、水素ガスの濃度の低い燃料オフガスを、燃料オフガス通路２０２を介して燃料電池システム１０００の外部へと排出するようにしている。このとき、燃料電池システム１０００では、燃料オフガス通路２０２においても水素ガスの漏洩を検知することができるように構成されている。

具体的には、付臭剤分離部２２０において分離された付臭剤は、ポンプ２６１によって吸引され、付臭剤排出路２３１を介して付臭剤付加部２３０に送られる。そして、付臭剤付加部２３０は、燃料オフガス通路２０２内において、付臭剤を噴霧することで燃料オフガスに付臭剤を付加する。したがって、燃料オフガス通路２０２内の付臭剤付加部２３０よりも下流側において、燃料オフガス（水素ガスを含む）が漏洩した場合であっても、早期に漏洩を検知することができる。

付臭剤付加部２３０において燃料オフガスに付加された付臭剤は、水素化部２４０において水素化されてから大気に放出される。具体的には、水素化部２４０は、燃料オフガス通路２０２内部壁面に水素化触媒２４５が塗布された構成を有しており、この水素化触媒２４５において、燃料オフガス中の付臭剤と水素ガスとによる水素化反応が促進される。なお、水素化反応用の触媒としては、例えば、白金やパラジウム等の貴金属を用いることができる。このように、水素化部２４０において燃料オフガスに含まれる付臭剤を水素化することで、燃料オフガスを殆ど無臭の状態として大気中に放出することができる。

以上説明したように、燃料電池システム１０００では、混合ガス自体が断熱膨張により冷却して付臭剤が分離するので、付臭剤の分離性能の劣化が殆ど起こらず、したがって、付臭剤分離部２２０の交換等の定期的なメンテナンスは殆ど不要となる。また、混合ガス自体が冷却するので、外部から混合ガスを冷却させるための冷却装置等が不要となり、燃料電池システム１０００の製造コストの上昇を抑制することができる。また、分離して得られた付臭剤を燃料オフガス通路２０２において燃料オフガスに付加するようにしているので、燃料オフガス通路２０２における水素ガスの漏洩も検知することができる。また、分離して得られた付臭剤を再利用しているので、予め付臭剤をタンク等に貯蔵しておいて燃料オフガスに付加する構成に比べて、燃料電池システム１０００の運用コストの上昇を抑制することができる。また、水素化部２４０において燃料オフガス内の付臭剤を水素化するので、燃料オフガスを殆ど無臭の状態として大気中に放出することができる。

Ｂ．第２の実施例：
図３は、第２の実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００ａは、混合ガスから付臭剤を分離（除去）する部分の構成において、燃料電池システム１０００（図１）と異なり、他の構成は、第１の実施例と同じである。

具体的には、燃料電池システム１０００ａは、付臭剤除去部４００と、減圧弁２７３と、２つの三方弁２７４，２７５と、を備えている。付臭剤除去部４００は、混合ガス中の付臭剤を吸着によって除去することができる。このような付臭剤除去部４００としては、例えば、付臭剤を物理吸着する多孔質材料（活性炭やゼオライト等）を採用することができる。減圧弁２７３は、混合ガス（７００気圧）の圧力を低下させて一定の圧力となるように調整する。２つの三方弁２７４，２７５は、いずれも制御部５００によって開閉が制御される。

減圧弁２７３と付臭剤除去部４００とは、この順番に第１の混合ガス副通路４０１に配置されている。また、付臭剤分離部２２０は、第２の混合ガス副通路４０２に配置されている。三方弁２７４は、混合ガス通路２１１と、第１の混合ガス副通路４０１と、第２の混合ガス副通路４０２とに接続されている。そして、三方弁２７４は、制御部５００からの指示に従い、混合ガス通路２１１から送られる混合ガスを、第１の混合ガス副通路４０１と第２の混合ガス副通路４０２とのいずれかに選択的に導くことができる。また、三方弁２７５は、第１の混合ガス副通路４０１と、第２の混合ガス副通路４０２と、燃料ガス供給通路２０１とに接続されている。そして、三方弁２７５は、制御部５００からの指示に従い、第１の混合ガス副通路４０１又は第２の混合ガス副通路４０２から送られる水素ガスを、燃料ガス供給通路２０１に導くことができる。以上の構成により、燃料電池システム１０００ａでは、混合ガス通路２１１と燃料ガス供給通路２０１との間において、燃料ガス供給路として２つの供給路が選択的に用いられる。すなわち、付臭剤除去部４００を通る第１の供給路４５１と、付臭剤分離部２２０を通る第２の供給路４５２とが、選択的に用いられる。

なお、２つの三方弁２７４，２７５と、制御部５００とは、請求項における流路切替部に相当する。また、第１の供給路４５１は請求項における第１の副供給路に、第２の供給路４５２は請求項における第２の副供給路に、それぞれ相当する。

燃料電池システム１０００ａでは、制御部５００によって、三方弁２７４と三方弁２７５との開閉を制御することによって、第１の供給路４５１と第２の供給路４５２とのうち、いずれか一方を切り替えて用いるように構成されている。したがって、例えば、付臭剤の除去性能の劣化に伴って付臭剤除去部４００を交換する場合、第２供給路４５２を用いることで、燃料電池システム１０００ａの運転を止めることなく交換作業を実行することができる。このように、燃料電池システム１０００ａでは、運転停止を伴う定期的なメンテナンス作業は不要となる。

Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上述した各実施例では、付臭剤分離部２２０は、混合ガスを断熱膨張させることで、混合ガス自体が冷却するものであったが、これに代えて、冷却装置を用いて外部から混合ガスを冷却するようにしてもよい。このようにしても、混合ガス中の付臭剤を凝縮して分離することができる。すなわち、一般には、混合ガスを冷却することで混合ガス中の付臭剤を分離する付臭剤分離部を、本発明の燃料電池システムにおいて使用することができる。

Ｃ２．変形例２：
上述した各実施例では、付臭剤は、断熱膨張により凝縮し、液体として分離可能なものであったが、これに代えて、断熱膨張により昇華して固体として分離可能なものであってもよい。具体的には、例えば、ナフタレンを用いることができる。また、１−メントール、パラジクロルベンゼン、アダマンタン、メチルナフタレン、カンフル、２，４，６−トリイソプロピル−１，３，５−トリオキサン、アントラキノン、無水ピロメリット酸、無水フタル酸、無水マレイン酸、安息香酸、無水フェニルマレイン酸、フェナントレイン、ニコチン酸や、これらの混合物を用いることができる。

Ｃ３．変形例３：
上述した各実施例では、ガスタンク２１０に予め水素ガスと付臭剤との混合ガスを貯蔵するものとしたが、これに代えて、水素ガスと付臭剤とをそれぞれ別のタンクに貯蔵しておくようにしてもよい。この構成では、水素ガス用のタンクと、付臭剤用のタンクと、水素ガスと付臭剤とを混合するための装置（混合弁等）とが、請求項における燃料ガス供給部に相当することとなる。なお、水素ガス用のタンクに代えて、水素吸蔵合金や、アルコールや天然ガス等を改質して水素ガスを発生させる改質部を備える構成としてもよい。すなわち、一般には、混合ガス通路２１１に混合ガスを供給することが可能な任意の構成の燃料ガス供給部を、本発明の燃料電池システムにおいて使用することができる。

Ｃ４．変形例４：
上述した各実施例では、水素化部２４０は、燃料オフガス通路２０２の内部壁面に水素化触媒２４５が塗布された構成であったが、これに代えて、水素化触媒を担持した活性炭やゼオライト等を有する構成とし、燃料オフガスが付臭剤付加部２３０の内部を通過する構成としてもよい。

Ｃ５．変形例５：
上述した各実施例では、燃料オフガス通路２０２において、水素化部２４０を設ける構成であったが、この水素化部２４０を省略することもできる。同様に付臭剤付加部２３０を省略することも可能である。

Ｃ６．変形例６：
上述した第２の実施例では、付臭剤除去部４００は、多孔質体による物理吸着によって混合ガス中の付臭剤を除去しているが、これに代えて、化学吸着によって付臭剤を除去するようにしてもよい。また、吸着に代えて、吸収することで混合ガス中の付臭剤を除去するようにしてもよい。以上のような構成においても、付臭剤の除去性能が経時的に劣化して、付臭剤除去部４００を交換することとなっても、交換時において燃料電池システム１０００ａの運転を停止させることなく作業を行うことができる。

Ｃ７．変形例７：
上述した各実施例では、固体高分子型の燃料電池を本発明に適用した場合について説明したが、本発明は、他のタイプの燃料電池にも適用可能である。

本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 図１に示す付臭剤分離部２２０の詳細構成を示す説明図。 第２の実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。

符号の説明

１００…燃料電池
２０１…燃料ガス供給通路
２０２…燃料オフガス通路
２０３…燃料ガス循環通路
２１０…ガスタンク
２１１…混合ガス通路
２２０…付臭剤分離部
２２１…減圧室
２２２…開口
２３０…付臭剤付加部
２３１…付臭剤排出路
２４０…水素化部
２４５…水素化触媒
２６１，２６２…ポンプ
２７１，２７２…遮断弁
２７３…減圧弁
２７４，２７５…三方弁
３０１…酸化ガス供給通路
３０２…酸化オフガス通路
３１０…空気ブロア
４００…付臭剤除去部
４０１…第１の混合ガス副通路
４０２…第２の混合ガス副通路
４５１…第１の供給路
４５２…第２の供給路
５００…制御部
１０００…燃料電池システム
１０００ａ…燃料電池システム

Claims (6)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に付臭剤を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、
   前記燃料ガス供給部から前記燃料電池に送られる前記燃料ガスを冷却することによって、前記付臭剤を凝縮又は昇華させて分離する付臭剤分離部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記付臭剤分離部は、前記燃料ガス自体が前記付臭剤分離部において断熱膨張することによって冷却するように構成されている、燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池からの排出ガスを排出するための排出流路と、
   前記排出流路を流れる前記排出ガスに、前記付臭剤を付加するための付臭剤付加部と、
   を備え、
   前記付臭剤付加部は、前記付臭剤分離部によって分離された付臭剤を前記排出ガスに付加する、燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記排出流路において前記付臭剤付加部よりも下流側に、前記付臭剤付加部によって付加された付臭剤について水素化を行う水素化部を備える、燃料電池システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料ガス供給路に設けられた付臭剤除去部と、
   流路切替部と、
   を備え、
   前記燃料ガス供給路は、前記付臭剤除去部を通って前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する第１の副供給路と、前記付臭剤除去部を通らずに前記付臭剤分離部を通って前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する第２の副供給路と、を有し、
   前記付臭剤除去部は、前記燃料ガスに含まれる前記付臭剤を吸着又は吸収することによって除去し、
   前記流路切替部は、前記第１の副供給路と前記第２の副供給路とのうち、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための供給路を切り替える、燃料電池システム。
6. 燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給方法であって、
   （ａ）付臭剤を含む前記燃料ガスを、前記燃料電池に送る工程と、
   （ｂ）前記燃料電池に送られる前記燃料ガスを冷却することによって、前記付臭剤を凝縮又は昇華させて分離する工程と、
   を備える燃料ガス供給方法。

Images