JP2009224306A - 燃料電池システムの水素排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの水素排気ラインから排出される水素を含有する排気（アノードオフガス）の水素濃度を低下させ、燃料電池スタックの性能と安定性とを向上させた燃料電池システムの水素排気装置を提供する。
【解決手段】燃料極１２に設置された水素排気ライン１８に排気装置１００を接続し、空気を吸入してアノードオフガスを希釈してアノードオフガスの水素濃度を減少させ、次いで排気装置１００の排気ライン２８に触媒燃焼装置又はバーナーを連結してアノードオフガスの水素の含有量を減少させる。更に、排気装置の排気ライン２８、触媒燃焼装置排気ライン、又はバーナー排気ラインを加湿器２６に接続して生成した水を空気極２０に供給して、空気極２０の加湿量を増加させると共に、アノードオフガスを空気で希釈して水素濃度を減少させる。
【選択図】図２

Description

本発明は車両用燃料電池システムに係り、より詳しくは、前記車両燃料電池の水素極（アノード）から排出される水素を含む排気（以下「水素を含む排気」を「アノードオフガス」と記す）を排出する燃料電池システムの水素排気装置に関する。

燃料電池を使い続けると燃料電池内部の水素極に徐々に窒素や水が蓄積され、それによって燃料電池の性能が低下するので、水素極に蓄積された窒素や水などを外に排出しなければならない。

排出される気体はアノードオフガスと呼ばれ、窒素、水素、水蒸気、水などを含む。アノードオフガスに含まれる水素による爆発の危険を抑制するためには、排出する水素の濃度を爆発限界の下限以下にしなければならない。また、アノードオフガス排出時に騒音を発生するので、これを抑制しなければならない。

排出される水素の濃度を爆発限界の下限以下に抑制する方法として、従来は、希釈器を水素排気ラインに設置し水素を空気で希釈する方法が提案された（例えば特許文献１を参照）。
しかし、希釈器は水素と空気とを混合するだけで、排出される水素含有量の絶対量は減少しないので、爆発する危険性が残る。特に車庫など室内で車両を始動する時に、水素が蓄積されて事故が発生する可能性が指摘された。また、希釈器を使用する場合は、希釈器へ大量の空気を供給するために空気供給装置や配管を設置しなければならないため、配管が複雑になり、コストアップにつながるという問題点があった。

また、燃料電池スタック１０から排出された水素を処理する装置として、水素を燃焼させ水に変換して水素排気の除去を図る触媒燃焼方式（例えば特許文献２を参照）及び火炎燃焼方式（例えば特許文献３を参照）が開示されたが、これらの方式は高濃度の水素による爆発的な燃焼に耐えるような丈夫な構造としなければならず、また配管経路が複雑であり、空気を供給するための空気ブロワーの負荷が増加したり、場合によっては別途の空気供給装置が必要になるという問題点があった。

特開２００７−３２９１３０号公報 特開２００８−１０８６６７号公報 特開２００８−１６３５０号公報

本発明の目的は、燃料電池スタック１０の水素排気ライン１８から排出されるアノードオフガスの水素濃度を低下させ、アノードオフガス排出時に発生する騒音を防止し、燃料電池スタック１０の性能と安定性と耐久性とを向上させた燃料電池システムの水素排気装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、燃料極１２と空気極２０とを備えた燃料電池スタック１０と、燃料極１２に水素を供給する水素供給ライン１３と、燃料極１２内の水素を循環させる水素再循環ライン１４と、燃料極１２からアノードオフガスを排出する水素排気ライン１８と、空気極２０に加湿空気を供給する空気供給ライン２２と、空気極２０から空気を排出する空気排気ライン２４と、水素排気ライン１８の末端に設置され外気から空気を吸入しアノードオフガスを希釈して排出する排気装置１００と、排気装置の排気ライン２８と、を含んで構成される燃料電池システムにおいて、
排気装置の排気ライン２８の末端に連通して、空気極１２に供給する空気を加湿する加湿器２６と、触媒を用いて水素を燃焼させる触媒燃焼装置３２と、水素を燃焼させるバーナー３６と、の内から選ばれる１以上の後処理装置を設置した燃料電池システムの水素排気装置を提供する。

更に本発明は、後処理装置は加湿器２６であって、排気装置の排気ライン２８を加湿器２６に連通し、希釈したアノードオフガスを加湿器２６の空気排出口２７から大気に排出する。

また本発明は、後処理装置は触媒燃焼装置３２であって、排気装置の排気ライン２８を触媒燃焼装置３２に接続し、希釈し更に水素含有量を低下させたアノードオフガスを触媒燃焼装置の排気ライン３４から外気に排出する。

また本発明は、後処理装置は触媒燃焼装置３２と加湿器２６とであって、排気装置の排気ライン２８を触媒燃焼装置に接続し、更に触媒燃焼装置の排気ライン３４を加湿器２６に連通し、希釈し更に水素含有量を低下させた前記アノードオフガスを加湿器２６の空気排出口２７から大気に排出する．

また本発明は、後処理装置はバーナー３６であって、排気装置の排気ライン２８をバーナー３６に接続し、希釈し更に水素含有量を低下させたアノードオフガスをバーナーの排気ライン３８から大気に排出する。

また本発明は、後処理装置はバーナー３６と加湿器２６とであって、排気装置の排気ライン２８にバーナー３６を接続し、バーナーの排気ライン３８を更に加湿器２６に連通し、希釈し更に水素含有量を低下させたアノードオフガスを加湿器２６の空気排出口２７から大気に排出する。

また本発明は、空気排気ライン２４から、空気供給弁４２を用いて分岐ライン４０を設置し延伸し排気装置の排気ライン２８に接続し、排気装置の排気ライン２８の末端に設置した触媒燃焼装置３２又はバーナー３６に空気を供給するように配備した。

本発明に係る燃料電池システムの水素排気装置は、水素排気ライン１８に排気装置１００を設置し、排気装置の排気ライン２８に加湿器２６を連通することによって、燃料電池スタック１０から排出されるアノードオフガスを加湿器２６で希釈し、アノードオフガスに含まれる水素の濃度を低下させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの水素排気装置は、燃料電池スタック１０の水素排気ライン１８に排気装置１００を設置してアノードオフガスの水素を希釈し、排気装置の排気ライン２８に触媒燃焼装置３２またはバーナー３６の何れかの後処理装置を連結し水素を燃焼させて除去することによって水素の含有量を減少させて、アノードオフガスに含まれる水素の濃度を低下させることができる。
また、排気装置１００で希釈されたアノードオフガスを燃焼させることによって、燃焼装置に供給される水素濃度の急上昇を抑制でき、水素の爆発的な燃焼を回避できる。

本発明に係る燃料電池システムの水素排気装置は、排気装置の排気ライン２８、触媒燃焼装置排気ライン３４又はバーナー排気ライン３８を加湿器２６に連通させることによって、アノードオフガスに含まれる水素を更に希釈すると共に、生成した水を加湿器２６に流入せしめ、空気極２０に供給する空気の加湿効果を高めることができる。

排気装置の排気ライン２８又はバーナー排出ライン３８を加湿器２６に連通するか、又は排出装置の排出ライン２８を触媒燃焼装置３２に連通することによって、加湿器２６又は触媒燃焼装置３２が消音器として作用し、アノードオフガスを排出する際の騒音を低減することができる。

燃料電池スタック１０の水素排気ライン１８に空気を自動的に流入させる排気装置１００を連結することによって、希釈用空気の供給のための配管及び空気供給装置を必要としなくなり、燃料電池スタック１０の構造簡素化し、コストダウンすることができる。

燃料電池の単位セルは、燃料ガス（水素ガス）を供給するアノードと、酸化ガス（空気）を供給するカソードと、イオンが移動する膜・電極接合体（ＭＥＡ）と、からなる。単位セルの起電力は小さいので、充分な電圧を得るために、単位セルを複数積層（スタック）する。これが燃料電池スタック１０である。
本発明は、燃料電池スタック１０の性能を維持するための、燃料電池システムの水素排気装置に関する。

［実施例］
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの水素排気装置について説明する。
図１は本発明で用いる水素排気装置を表す装置構成図である。
図１によれば、燃料電池スタック１０は燃料極１２と空気極２０とを備え、燃料極１２は水素を供給する水素供給ライン１３と燃料極１２内の水素を循環させる水素再循環ライン１４と燃料極からアノードオフガスを排出する水素排気ライン１８とを備え、空気極２０は加湿空気を供給する空気供給ライン２２と空気極２０から空気を排出する空気排気ライン２４とを備える。

水素供給ライン１３から燃料電池スタック１０の燃料極１２に水素が供給され、消費されずに残った水素は水素再循環ライン１４と水素再循環ブロワー１９とによって水素供給ライン１３に供給して再利用する。

燃料電池スタック１０を運転すると燃料ガスに含まれていた窒素や水やその他の副産物が燃料極１２に蓄積し、それによって燃料電池スタック１０の性能が低下する。燃料電池スタック１０は排気弁１６を開放して水素排気ライン１８からアノードオフガスを排出し、水素再循環ライン１４から再循環される水素の純度を維持する機能を有する。排出されるアノードオフガスは水素、窒素、水蒸気、水などを含む。

燃料電池スタック１０から水素濃度の高いアノードオフガスを車外に排出すると、場合によっては爆発的な激しい燃焼が起こる。また、アノードオフガス排出時に騒音を発生するので、これを抑制しなければならない。

本発明は、図１に示す、外気から空気を吸入してアノードオフガスを希釈して排出する排気装置１００を接続する。
排気装置１００は空気を吸入してアノードオフガスを希釈する排気装置であればいずれの種類の排気装置でも使用することができるが、多段直列カートレリッジ排気装置を使用することが好ましい。

排気装置１００の１構成例としてハウジング１０２とカバー体１１４と排気装置本体１０４で構成された多段直列カートレリッジ排気装置を図５に示す。
図５によれば、排気装置本体１０４は、少なくとも３個のノズル１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃが、直径の小さいものから大きいものが、入口から噴出口に向かって順に間隙をあけて同方向且つ中心線を合わせて連設されて構成される。

各ノズル１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃの外側にカバー体１１４が設置され、各ノズルはカバー体１１４に固定される。カバー体１１４には各ノズル１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃのそれぞれの噴出口と対応して連通するサブ吸入口１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃが穿設される。サブ吸入口１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃには吸入した空気が外部に逆流しないようなチェック弁１１６が装着される。
カバー体１１４は外気吸入口１０６を有するハウジング１０２内に装着される。

排出されたアノードオフガスが水素排気ライン１８から排気装置１００に流入すると、外部空気が排気装置本体１０４に吸入され、アノードオフガスの希釈が行われる。
以下に、排気装置の作動原理を詳しく説明する。

１）燃料電池スタック１０の水素排気ライン１８から排出されたアノードオフガスが１段ノズル１１０ａで噴射される。
２）１段目のノズル１１０ａで噴射されたアノードオフガスは１段ノズル１１０ａの噴出口と２段目ノズル１１０ｂの入口と間隙に真空（低圧）圧状態を作り、この真空圧によりサブ吸入口１１２ａのチェック弁１１６が開き、サブ吸入口１１２ａを通して外部空気が吸入される。
３）吸入された外部空気とアノードオフガスが２段目ノズル１１０ｂ内で混合されて体積が増加し、これを２段目ノズル１１０ｂで噴射することによって２段ノズル１１０ａの噴出口と３段目ノズル１１０ｂの入口と間隙に更に大きい真空圧を発生させることができる。
４）１）〜３）の過程は各段階で反復され、段が多いほど空気吸入流量は増加する。

上記のように、排気装置１００は外気から空気を吸入してアノードオフガスを希釈し、希釈されたアノードオフガスは排気装置の排気ライン２８を通じて大気に放出される。
本実施形態は、排気装置１００による自動的な空気の流入によってアノードオフガスの希釈が行われるため、空気の供給量の制御が容易であり、別段の制御ロジックが不要であり、外部空気供給量の制御を通して過昇温の抑制が容易にできる。
図２は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの水素排気装置を表す装置構成図である。

本発明の実施例１は、排気装置１００の排気ライン２８に加湿器２６を接続した点に特徴がある。
アノードオフガスを加湿器２６内に流入すると加湿器２６はバッファタンクとして機能し、また、加湿器２６内の多量の空気によってアノードオフガスを更に希釈した。
アノードオフガスは水と空気とを含有しているため、アノードオフガス中の水分は、加湿器２６内に流入する空気を加湿し、剰余の空気は空気極２０に供給する酸素の供給源となった。
図３は本発明の実施例２及び実施例３に係る燃料電池システムの水素排気装置を表す装置構成図である。

本発明の実施例３は、排気装置１００の排気ライン２８に触媒燃焼装置３２を接続した点に特徴がある。
燃料電池スタック１０から排出したアノードオフガスを、排気装置１００によって外気から空気を吸入し空気と混合して希釈し、次いで触媒燃焼装置３２によって触媒燃焼反応によって燃焼しアノードオフガス中の水素を除去した。アノードオフガスは排気装置１００で希釈されているので水素濃度が急上昇することはなく、触媒燃焼装置３２において水素が爆発的に燃焼することはなかった。
前記触媒燃焼装置３２内の触媒燃焼反応器はアノードオフガスの流入時に発生する流入音を低減する消音装置として作用した。触媒燃焼装置の排気ライン３４は外気に開放した。

空気極２０から延引した空気排気ライン２４の中間に、空気供給弁４２を設けて分岐し分岐ライン４０を設置し、分岐ライン４０を延引して排気装置１００の排気ライン２８に連通させた。制御部（図示せず）で排気弁１６が開く時点に合せて空気供給弁４２を開き、空気極２０から排出した空気を分岐ライ４０を通じて触媒燃焼装置３２内の触媒燃焼反応器に供給した。

実施例３は、実施例２で記載した触媒燃焼装置の排気ライン３４が加湿器２６に接続した場合である。触媒燃焼装置３２で生成した水は、触媒燃焼装置の排気ライン３４を通じて加湿器２６に流入させ、電気極１０に供給する空気の追加加湿源とし、少量の残余水素は加湿器２６から排出する空気により希釈して加湿器２６の空気排出口２７を通して大気に排出した。
図４は本発明の実施例４及び実施例５に係る燃料電池システムの水素排気装置を表す装置構成図である。

図４に示すように、本発明の実施例４は後処理装置として、排気装置１００の排気ライン２８にバーナー３６を装着した点に特徴がある。
燃料電池スタック１０から排出したアノードオフガスを、排気装置１００によって外気から空気を吸入し混合して希釈し、次いでバーナー３６にによって燃焼してアノードオフガス中の水素を除去した。アノードオフガスは排気装置１００で希釈されているので水素濃度が急上昇することはなく、バーナー３６に於いて水素が爆発的に燃焼することもなかった。バーナーの排気ライン３８は大気に排出した。

空気極２０から延引した空気排気ライン２４の中間に、空気供給弁４２を設けて分岐し分岐ライン４０を設置し、分岐ライン４０を延引して排気装置１００の排気ライン２８に連通した。制御部（図示せず）で排気弁１６が開く時点に合せて空気供給弁４２を開き、空気極２０から排出した空気を分岐ライ４０を通じてバーナー３６の燃焼部に供給した。

実施例５は、実施例４に記載したバーナーの排気ライン３を加湿器２６に接続した場合である。バーナー３６における燃焼作用により生成した水は、バーナーの排気ライン３８を通じて加湿器２６に流入させて空気極に供給される空気を加湿し、少量の残余水素は加湿器２６から排出される空気により希釈して空気排出口２７を通じて外気に排出した。

図１は本発明で用いる水素排気装置を表す装置構成図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池システムの水素排気装置を表す装置構成図である。 本発明の実施例２、３に係る燃料電池システムの水素排気装置を表す装置構成図である。 本発明の実施例４，５に係る燃料電池システムの水素排気装置を表す装置構成図である。 本発明による燃料電池システムの水素排気装置に適用される排気装置の一例及びその作動原理を説明する断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ 電極接合体（ＭＥＡ）
１２ 燃料極
１３ 水素供給ライン
１４ 水素再循環ライン
１６ 排気弁
１８ 水素排気ライン
２０ 空気極
２２ 空気供給ライン
２４ 空気排気ライン
２６ 加湿器
２７ 空気排出口
２８ 排気装置の排気ライン
３０ ブロワー
３２ 触媒燃焼装置
３４ 触媒燃焼装置の排気ライン
３６ バーナー
３８ バーナーの排気ライン
４０ 分岐ライン
４２ 空気供給弁
１００ 排気装置
１０２ ハウジング
１０４ 排気装置本体
１０６ 吸入口
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ ノズル
１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ サブ吸入口
１１４ カバー体
１１６ チェック弁

Claims (7)

1. 燃料極と空気極とを備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素を供給する水素供給ラインと、前記燃料極内の水素を循環させる水素再循環ラインと、前記燃料極から水素を含む排気（以下「水素を含む排気」を「アノードオフガス」と記す）を排出する水素排気ラインと、前記空気極に加湿空気を供給する空気供給ラインと、前記空気極から空気を排出する空気排気ラインと、前記水素排気ラインの末端に設置され外気から空気を吸入して前記アノードオフガスを希釈して排出する排気装置と、前記排気装置の排気ラインと、を含んで構成される燃料電池システムにおいて、
   前記排気装置の排気ラインの末端に連通して、空気極に供給する空気を加湿する加湿器と、触媒を用いて水素を燃焼させる触媒燃焼装置と、水素を燃焼させるバーナーと、の内から選ばれる１以上の後処理装置を設置することを特徴とする燃料電池システムの水素排気装置。
2. 前記後処理装置は、前記加湿器であって、前記排気装置の排気ラインを前記加湿器に連通し、希釈したアノードオフガスを前記加湿器の空気排出口から大気に排出す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の水素排気装置。
3. 前記後処理装置は、前記触媒燃焼装置であって、前記排気装置の排気ラインを前記触媒燃焼装置に接続し、希釈し更に水素含有量を低下させたアノードオフガスを前記触媒燃焼装置の排気ラインから大気に排出す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の水素排気装置。
4. 前記後処理装置は、前記触媒燃焼装置と前記加湿器とであって、前記排気装置の排気ラインを前記触媒燃焼装置に接続し、更に前記触媒燃焼装置の排気ラインを前記加湿器に連通し、希釈し更に水素含有量を低下させたアノードオフガスを前記加湿器の空気排出口から大気に排出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの水素排気装置。
5. 前記後処理装置は、前記バーナーであって、前記排気装置の排気ラインを前記バーナーに接続し、希釈し更に水素含有量を低下させたアノードオフガスを前記バーナーの排気ラインから大気に排出す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の水素排気装置。
6. 前記後処理装置は、前記バーナーと前記加湿器とであって、前記排気装置の排気ラインに前記バーナーを接続し、前記バーナーの排気ラインを更に前記加湿器に連通し、希釈し更に水素含有量を低下させたアノードオフガスを前記加湿器の空気排出口から大気に排出することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの水素排気装置。
7. 前記空気排気ラインから、空気供給弁を用いて分岐ラインを設置し延伸して前記排気装置の排気ラインに接続し、前記排気装置の排気ラインの末端に設置した前記触媒燃焼装置又は前記バーナーに空気を供給するように配備したことを特徴とする請求項４または６に記載の燃料電池システムの水素排気装置。