JP2008270028A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a fuel cell system, and in particular, mixes 5 to 10% of incombustible gas in advance with exhaust hydrogen gas exhausted from the fuel cell so that the exhaust hydrogen gas concentration is always above the upper limit of explosion, The present invention relates to a novel improvement for controlling oxygen gas so that the catalytic reaction can be carried out safely.
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。
Conventionally, as a fuel cell system, for example, there are configurations of Patent Document 1 and
In addition, since the catalytic reactor 7 can burn even a composition that cannot normally be burned, it is an important technique for realizing a safety system, and is adopted as an exhaust gas treatment device for a system such as a fuel cell. Normally, incombustible gas such as nitrogen and combustible gas are mixed and burned under the condition that the hydrogen concentration is lower than the lower explosion limit (a dilute state where hydrogen gas is 4% or less).
That is, in FIG. 3, what is indicated by reference numeral 1 is a mixing chamber, and the mixing chamber 1 is configured so that the exhaust hydrogen gas 3 of the
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。 Exhaust hydrogen gas 3 from the mixing chamber 1 is heated by a heating unit 6, subjected to a reaction treatment by a catalytic reaction device 7, heat exchanged by an exhaust gas heat exchanger 8, and the temperature is lowered. Exhausted to the outside.
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。
Since the conventional fuel cell system is configured as described above, the following problems exist.
That is, the explosion limit of hydrogen gas in air is as wide as 4 to 75 vol% in air and 4 to 95% in oxygen gas. For this reason, in order to make the hydrogen concentration a rare gas having a hydrogen concentration of 4% or less (96% incombustible gas), a system for performing catalytic combustion processing in the catalytic reactor in a state of being mixed before the catalytic reactor is assembled. In this case, since incombustible gas 25 times or more of the hydrogen gas to be processed is mixed, the amount of gas introduced into the apparatus increases, and the required power of the blower increases, resulting in an increase in power consumption. In addition, the exhaust gas pipe and the catalytic combustion device become a large-sized device to the same extent as the fuel cell, which is a big problem when there are restrictions on the installation space and supply power.
In order to solve these problems of the prior art, the amount of the carrier gas in the catalytic reaction apparatus is to be made as small as possible. However, if it is easily reduced, it will fall within the H 2 gas explosion limit and the safety system. The merit of being was to be lost.
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。 A fuel cell system according to the present invention includes a non-combustible gas mixing device for mixing non-combustible gas provided in the middle of an exhaust hydrogen gas line for guiding exhaust hydrogen gas discharged from a fuel cell, and the non-combustible gas mixing device. A catalyst reaction device provided in an exhaust hydrogen gas line and filled with a catalyst capable of hydrogen / oxygen combustion, and an exhaust gas heat exchanger provided downstream of the catalyst reaction device, the exhaust from the exhaust gas heat exchanger In the fuel cell system in which hydrogen gas is returned to the incombustible gas mixing device and is not discharged to the outside, oxygen gas is introduced into the exhausted hydrogen gas line via oxygen introduction control means, The configuration is such that a minimum incombustible gas is filled so that the exhaust hydrogen gas concentration is higher than the upper limit of explosion, and the oxygen gas is added to the exhaust hydrogen gas line. Is mixed within 5% outside the explosion combustion range with respect to the exhaust hydrogen gas, and 5-10% of non-combustible gas is mixed into the exhaust hydrogen gas line via a non-combustible gas mixing device. In order to use water vapor, the incombustible gas mixing device has water, the water temperature of the water is controlled by a temperature control device to control the water vapor pressure in the incombustible gas mixing device, It is a configuration that controls the amount of incombustible gas and controls the concentration of discharged hydrogen gas to be safe, and is configured to use both the water vapor and the incombustible gas other than water vapor as the incombustible gas. When mixing the incombustible gas with the exhaust hydrogen gas, the water temperature in the incombustible gas mixing device is controlled using the catalytic reaction heat of the catalytic reaction device, and saturated steam is used as the incombustible gas. In addition, the gas temperature of the exhaust hydrogen gas on the outlet side of the catalytic reactor is measured, and the oxygen introduction control means is controlled so that the gas temperature falls within a predetermined value, and the gas temperature is set to 500. In order to achieve an operating temperature of ℃ or less, the oxygen amount of the oxygen gas introduced into the exhaust hydrogen gas mixed with the non-combustible gas is controlled, and the exhaust gas is exhausted by the catalytic reaction device and the exhaust gas heat exchanger. A treatment means is configured, and a plurality of the exhaust gas treatment means are provided in series in the exhaust hydrogen gas line.
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。
Since the fuel cell system according to the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
That is,
(1) Wastewater hydrogen gas is mixed with non-combustible gas for safe treatment, and a large amount of inertness more than 20 times so that it will be below the lower limit of explosion (hydrogen concentration 4% or less) that is used in conventional catalytic combustion No need to dilute with gas.
(2) Oxygen gas and hydrogen gas required for the reaction and non-flammability of about 5 to 10% can be processed, and the exhaust gas circulation power required for exhaust gas processing in the conventional processing gas device can be reduced. This will save power and improve the overall efficiency of the fuel cell system.
(3) Since it is always operated with the hydrogen concentration exceeding the explosion limit, it can be operated safely.
(4) The gas introduced from the outside is only the necessary minimum oxygen gas, and there is no gas to be exhausted to the outside, so that it becomes dangerous due to pressurization or accumulation of flammable gas in the space where the exhaust gas has accumulated Therefore, the fuel cell system can be operated safely and stably for a long time.
(5) By using the oxygen gas as the oxidizing gas of the fuel cell as the oxygen gas, a completely closed fuel cell system can be obtained.
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。 The present invention makes it possible to minimize the amount of carrier gas to the catalytic reactor by mixing incombustible gas with exhaust hydrogen gas and burning at a concentration exceeding the upper limit of explosion. In order to ensure the safety, the carrier gas amount is reduced under conditions that do not enter the explosion limit, the device is made compact, the load power is reduced, and in the hydrogen-oxygen fuel cell system In the above operation, the exhaust gas from the fuel cell is reduced by using the oxygen gas that is the oxidant of the fuel cell as the oxidant for safely catalytic combustion of the hydrogen gas that is the exhaust gas from the fuel cell. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be eliminated.
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。
Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
Before describing the fuel cell system of the present invention shown in FIG. 1, the operational features of the present invention will be described.
The fuel cell system of the present invention controls the oxygen gas (oxygen concentration 5% or less) so that the hydrogen gas concentration always exceeds the upper limit of explosion in a hydrogen-oxygen atmosphere, and is heated by heat generated by catalytic combustion. The amount of oxygen gas introduced is controlled so that it does not become a catalyst and the catalyst is combusted safely. As a specific implementation method, the oxygen introduction amount is controlled by an oxygen introduction valve so that the oxygen concentration is always kept in a safe concentration range. At this time, an inert gas is required in advance in the hydrogen gas exhausted from the polymer electrolyte fuel cell so that it always exceeds the upper explosion limit, that is, the oxygen concentration is 5% or less. It shall be operated with the minimum amount (about 10% or more) mixed. By this non-combustible gas mixing treatment, it is possible to safely and efficiently reduce the size without increasing extra power.
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。
The amount of oxygen to be introduced is monitored by a temperature sensor provided downstream of the catalytic reactor, and the temperature of the gas after the reaction is monitored. Based on the relationship between the flow rate and the temperature of the exhaust gas after the reaction, the oxygen amount is below a safe oxygen concentration. Control the temperature so that it is below the maximum operating temperature of the equipment. For example, the oxygen introduction valve is controlled so that the exhaust gas concentration becomes a temperature of 500 ° C. or less considering the heat resistance of the equipment.
Through the catalytic reaction, the total amount of oxygen gas introduced and hydrogen gas react to produce water. The hydrogen gas containing the purified water is circulated to a container in which necessary water provided for introducing exhaust gas from the fuel cell is enclosed. For this reason, since the exhaust gas and oxygen from the fuel cell are composed of only the incombustible gas existing in the system, the generated water is stored in the container, and there is no gas exhausted to the outside. Therefore, in the fuel cell system, there is no abnormal pressurization in the space where the exhausted gas is accumulated or the occurrence of unsafe conditions due to the accumulation and filling of the combustible gas. Driving becomes possible.
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。 Note that the initial stage of exhausting hydrogen from the fuel cell has a small amount of hydrogen gas in the fuel cell system of the present invention, so when the amount of hydrogen circulating in the system reaches the specified conditions (flow rate and temperature), Oxygen introduction is started, and the oxygen introduction amount is controlled so that the oxygen concentration becomes 5% or less. As the oxygen flow rate, an amount of hydrogen exhausted from the fuel cell and an amount that can be completely combusted by catalytic combustion (1/2 of the exhaust hydrogen amount) are introduced.
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。
What is indicated by reference numeral 1 in FIG. 1 is an incombustible gas mixing device to which exhausted hydrogen gas 3 from the
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。 A catalytic reaction device 7 and an exhaust gas heat exchanger 8 are provided on the downstream side of the incombustible gas mixing device 1 of the exhaust hydrogen gas line 10, and an outlet side 8 a of the exhaust gas heat exchanger 8 is connected to a return line 11. And is connected to the incombustible gas mixing device 1 in a feedback manner.
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。 The incombustible gas mixing device 1 is provided with a temperature control device 12 for controlling the internal water to a temperature equal to or higher than 60 ° C., and a temperature sensor 13 on the outlet side of the catalytic reaction device 7. The gas temperature 13a detected in step 1 is used to control the valve 21 for introducing the oxygen gas 20 into the exhaust hydrogen gas line 10 between the incombustible gas mixing device 1 and the catalytic reaction device 7. The valve 21 and the temperature sensor 13 constitute an oxygen introduction control means 30.
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。 The catalyst reaction device 7 and the exhaust gas heat exchanger 8 constitute an exhaust gas treatment means 40, and the exhaust gas treatment means 40 can be more effective when used in a plurality of series such as two stages or three stages as required. .
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。
Next, the operation will be described. The exhaust hydrogen gas 3 from the
The flow rate of O 2 measures the gas temperature after combustion, and controls the flow rate of O 2 so that the gas temperature becomes 500 ° C. or lower. As a method for supplying oxygen, this gas may be used when oxygen is used as fuel for the
In addition, a safe fuel cell system can be established by controlling the amount of O 2 to be introduced so that the ratio of the non-combustible gas O 2 is 20% or less, which is the same level as O 2 % in the air.
Further, although residual H 2 gas remains in the exhaust gas after combustion, it can be burned 100% by recirculation.
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。
Next, a design example of the fuel cell system is shown.
Design an exhaust gas treatment system for a 30 kW fuel cell system.
Here, the fuel cell efficiency is assumed to be 60%.
Supply hydrogen amount: 151.1 Nm 3 / h
Fuel cell exhaust gas (hydrogen amount): supplied hydrogen amount × 5% (assumed) = 0.76 Nm 3 / h
Hydrogen amount after mixing: 0.76 × (1 + 9) = 7.6 Nm 3 / h
Incombustible gas mixing device exhaust gas amount = 7.6 x 1.1 (mixing of incombustible gas)
= 8.3 Nm 3 / h
Heat generated by catalytic reaction (device inlet gas temperature = 100 ° C., device outlet gas temperature = 500 ° C.) = (500 ° C.−100 ° C.) × 8.3 Nm 3 /h×0.24 kcal / Nm 3 · ° C.
= 797kcal / h
Combustion hydrogen gas amount = 797/2450 = 0.31 Nm 3 / h
Supply oxygen amount = 0.31 × 50% = 0.16Nm 3 / h
At this time, the O 2 temperature is 1.9 vol%, and the explosion limit is 5% or less, so that treatment at a safe concentration is possible.
O 2 = 0.16 / 8.3 × 100% = 1.9%
The reaction heat generated at this time is used for temperature control of a non-combustible gas generator after heat exchange.
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。 Here, in order to treat the exhaust hydrogen amount of 0.76 Nm 3 / h in total, the above treatment is repeated three times, that is, the exhaust gas treatment means 40 is configured to have a three-stage configuration. Since the hydrogen gas and the introduced oxygen gas completely react with each other, the discharged hydrogen gas is completely treated as liquid water that is safe and greatly reduced in volume from the gas, and returned to the incombustible gas mixing device 1 Can do.
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。
Next, a method for controlling the amount of incombustible gas will be described.
A control method in the case of using water vapor as the incombustible gas is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the hydrogen gas 3 discharged from the fuel cell (FC) 2 is passed through warm water filled therein, and the exhaust gas is mixed with water vapor as an incombustible gas and humidified. The mixing amount (humidification amount) of the steam as the incombustible gas is controlled by heating the hot water stored in the container into which the discharged hydrogen gas 3 is introduced, that is, in the incombustible gas mixing device 1, using the heat of catalytic reaction. That is, it can be easily performed by controlling near the saturated water vapor pressure (dew point) in the gas.
By using this water vapor, it is possible to adjust the amount of incombustible gas without introducing the incombustible gas from the outside by controlling the hot water temperature.
In addition, first, for example, argon gas or the like as an incombustible gas may be introduced in a state where about 5% is introduced as a minimum amount necessary for ensuring safety, and the above operation may be performed.
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。
Therefore, the above operations are summarized as follows. That is, an incombustible gas mixing device 1 for mixing incombustible gas provided in the middle of an exhaust hydrogen gas line 10 that guides the exhausted hydrogen gas 3 discharged from the
In the fuel cell system in which the exhaust hydrogen gas 3 from the exhaust gas heat exchanger 8 is returned to the incombustible gas mixing device 1 so as not to be discharged to the outside.
Oxygen gas is introduced into the exhaust hydrogen gas line 10 via the oxygen introduction control means 30, and a minimum non-combustible gas is provided so that the exhaust hydrogen gas concentration in the exhaust hydrogen gas line 10 is higher than the upper limit of explosion. Further, the oxygen gas is mixed into the exhaust hydrogen gas line 10 within 5% outside the explosive combustion range with respect to the exhaust hydrogen gas, and the exhaust hydrogen gas line 10 is mixed via the non-combustible gas mixing device 1. Incombustible gas is mixed at 10%, and water vapor is used as the incombustible gas. Therefore, the incombustible gas mixing device 1 has water, and the temperature of the water is controlled by the temperature control device 12 so that the incombustible gas mixing device is used. 1 to control the water vapor pressure in the exhaust hydrogen gas line 10, to control the amount of incombustible gas in the exhaust hydrogen gas line 10, to control the concentration of the exhaust hydrogen gas to be safe, and as the incombustible gas, the water vapor and the water vapor When the non-flammable gas other than the non-flammable gas is used and the non-flammable gas is mixed with the exhaust hydrogen gas 3, the water temperature in the non-flammable gas mixing device 1 is controlled using the catalytic reaction heat of the catalytic reactor 7, The saturated water vapor is used as the non-combustible gas, the gas temperature of the exhaust hydrogen gas 3 on the outlet side 7a of the catalytic reaction device 7 is measured, and the oxygen introduction control means 30 is set so that the gas temperature falls within a predetermined value. Therefore, the amount of oxygen of the oxygen gas 20 introduced into the exhaust hydrogen gas 3 mixed with the non-combustible gas can be controlled.
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。 The present invention is also applicable to hydrogen supply systems other than fuel cells.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Incombustible
Claims (7)
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。 An incombustible gas mixing device (1) for mixing incombustible gas provided in the middle of an exhaust hydrogen gas line (10) for guiding exhaust hydrogen gas (3) discharged from the fuel cell (2), and the incombustible gas mixing A catalytic reaction device (7) provided in the exhaust hydrogen gas line (10) from the device (1) and filled with a catalyst capable of hydrogen / oxygen combustion, and an exhaust gas provided downstream of the catalytic reaction device (7) A heat exchanger (8),
In the fuel cell system in which the exhaust hydrogen gas (3) from the exhaust gas heat exchanger (8) is returned to the incombustible gas mixing device (1) and is not discharged to the outside.
An oxygen gas (20) is introduced into the exhaust hydrogen gas line (10) via an oxygen introduction control means (30), and the exhaust hydrogen gas concentration in the exhaust hydrogen gas line (10) is set to a concentration equal to or higher than the upper limit of explosion. A fuel cell system characterized by being configured to be filled with a minimum of non-combustible gas.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2007113219A JP2008270028A (en) | 2007-04-23 | 2007-04-23 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2007113219A JP2008270028A (en) | 2007-04-23 | 2007-04-23 | Fuel cell system |
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| JP2008270028A true JP2008270028A (en) | 2008-11-06 |
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2007
- 2007-04-23 JP JP2007113219A patent/JP2008270028A/en active Pending
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