JP2010027384A - 燃料電池排気処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、燃料電池排気処理システムに関し、アノードガス処理のためのシステムの増大化を抑えつつ、車両搭載時におけるアノードガス処理を行なうことができるよう改良した燃料電池排気処理システムを提供することを目的とする。
【解決手段】内燃機関１０と、燃料供給を受けて発電する燃料電池スタック３０と、燃料電池スタック３０のカソード側から排出されるカソードオフガスを内燃機関１０に導入するカソードオフガス導入経路としての流路４８と、を備えることを特徴とする燃料電池排気処理システム。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池排気処理システムに関する。更に具体的には、燃料の供給を受けて発電する燃料電池を備える排気処理システムに関するものである。

従来、例えば特許文献１には、触媒燃焼器を備える燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムにおいて、燃料として水素ガスがアノード側に供給される。ここで、水素ガスは、カソード側にクロスリークして、カソードオフガス中に混入する場合がある。このため、特許文献１の燃料電池システムにおいては、カソードオフガスを燃料電池の下流に配置した触媒燃焼器に通過させる。触媒燃焼器のケーシング内には、水素ガスの酸化反応を促進する触媒が設けられている。したがって、カソードオフガスを触媒燃焼器に通過させることで、カソードオフガスに混入した水素ガスが酸化される。これにより、カソードオフガス中の水素ガス濃度が低減される。

特開２００８−１０８６６７号公報 特開２０００−３０３８３６号公報

上記のように、特許文献１の触媒燃焼器を備える燃料電池システムによれば、カソードオフガス中のアノードガス濃度を低減できる。しかしながら、特許文献１の触媒燃焼器に設けられた触媒は、低床温時の活性が低く、低床温時ではアノードガス濃度を十分に低減できないという問題があった。

また、燃料電池を例えば車両等に搭載して用いる場合がある。このように、燃料電池を車両に搭載する場合であっても、カソードオフガス中のアノードガス濃度は低減できることが望ましい。しかし、特許文献１のシステムでは、触媒燃焼器を搭載するスペースを要する。従って、車両のように搭載スペースが限られ、システムの小型化が要求される場合には、特許文献１のような触媒燃焼器を有する燃料電池システムの搭載は好ましいものではない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アノードガス処理のためのシステムの増大化を抑えつつ、車両搭載時におけるアノードガス処理を行なうことができるよう改良した燃料電池排気処理システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池排気処理システムであって、
内燃機関と、
燃料供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスを前記内燃機関に導入するカソードオフガス導入経路と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
燃料を貯蔵する燃料貯蔵装置と、
前記燃料貯蔵装置から前記内燃機関に前記燃料を内燃機関用燃料として供給する内燃機関用燃料供給経路と、
前記燃料貯蔵装置から前記燃料電池に前記燃料を燃料電池用燃料として供給する燃料電池用燃料供給経路と、を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記燃料は、前記燃料貯蔵装置に液体状態で貯蔵され、
前記内燃機関用燃料供給経路の、前記燃料貯蔵装置と前記内燃機関との間に配置され、前記内燃機関用燃料を気化する気化装置を、備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３何れかの発明において、
前記内燃機関の排気通路に前記カソードオフガスを浄化する触媒装置を備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明において、
前記燃料電池は、アルカリ型燃料電池であることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスを内燃機関に導入することができる。このため、カソードオフガス中に混入したアノードガスを内燃機関で処理することができる。また、混入したアノードガスは、内燃機関で処理されるため、処理装置を別途設ける必要が無い。したがって、アノードガス処理のためのシステムの増大化を抑えつつ、車両搭載時におけるアノードガス処理を行なうことができる。

第２の発明によれば、内燃機関および燃料電池へは、同一の燃料貯蔵装置から同一の燃料を供給することができる。同一の燃料貯蔵装置からの同一燃料を供給できれば、内燃機関と燃料電池とにそれぞれ別々の燃料貯蔵装置を設置する必要が無い。したがって、燃料貯蔵装置スペースが節約できるとともに、内燃機関および燃料電池の設計が容易となる。

第３の発明によれば、液体状態で貯蔵された液体を、燃料電池へは液体のまま、内燃機関へは気化装置を経由して気体で、それぞれ供給することができる。

第４の発明によれば、カソードオフガスに混入したアノードガスを触媒装置で処理できる。カソードオフガスに混入したアノードガスは、内燃機関で処理されなかった場合には下流へ排気されるが、内燃機関の下流には触媒装置が配置されている。このため、触媒装置でアノードガスを浄化できる。

第５の発明によれば、アルカリ型燃料電池を組み込んだ燃料電池排気処理システムにも適用することができる。

実施の形態１．
[実施の形態１の構成]
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池排気処理システムの構成を説明するための図である。図１に示す燃料電池排気処理システムは、内燃機関１０と燃料電池スタック３０とを備えるハイブリッドシステムを基本とし、車両等の移動体に搭載されて用いられる。

内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２には、流量制御器１６が設置されている。流量制御器１６は、燃料の流量を制御して内燃機関１０に供給するように構成されている。流量制御器１６は、内燃機関１０内部の燃料濃度が例えば１５〜２８vol％の燃焼範囲となるように燃料流量を制御して供給することができる。流量制御器１６の上流には、流路１８を経由して燃料タンク２０が配置されている。燃料タンク２０には、燃料としての高濃度のアンモニア（ＮＨ_３）が液体状態で貯蔵されている。流路１８には、気化器２２が配置されている。気化器２２は、燃料タンク２０から供給される液体アンモニアを気化して流量制御器１６に供給するように構成されている。

一方、排気通路１４には、内燃機関の排気ガスを浄化するための排ガス触媒２４が配置されている。排ガス触媒２４は、内燃機関１０から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択還元する機能を有すると共に、アンモニアガスを酸化する機能をも有する触媒である。

燃料電池スタック３０は、後述するように、陰イオンを伝導体とするアルカリ型の燃料電池であって、セパレータを介して複数積層された膜−電極接合体（ＭＥＡ）を有する。燃料電池スタック３０は、アノード燃料循環システム４０に接続している。アノード燃料循環システム４０は、アノード燃料サーバー３２と、アノード燃料サーバー３２に接続する流路３４、３６とから構成されている。

アノード燃料サーバー３２は、循環ポンプ（図示せず）を備え、アノード燃料サーバー３２内に貯留されたアンモニア水を所定の圧力で流路３４へと供給するように構成されている。流路３６は、燃料電池スタックのアノード側から排出されたアンモニア水を再びアノード燃料サーバー３２に貯留するように構成されている。このように、アノード燃料循環システム４０によって、アンモニア水は循環利用され、有効利用が図られている。

アノード燃料サーバー３２には、流路４２を経由して燃料タンク２０が配置されている。アノード燃料循環システム４０ではアンモニア水が循環利用されるが、この循環利用が続くと、燃料電池スタック３０からの生成水によって次第にアンモニア濃度が低下することが考えられる。アンモニア濃度が所定の濃度以下となると、燃料電池スタック３０の出力が低下する事態を生じ得る。このため、アノード燃料サーバー３２の濃度が所定の濃度以上となるように、燃料タンク２０からアノード燃料サーバー３２に高濃度のアンモニアを供給している。

また、燃料電池スタック３０は、流路４６を介して空気取り入れ口４４に接続されている。空気取り入れ口４４から取り入れられた空気は、流路４６を経由して、所定の圧力および湿度で燃料電池スタック３０に供給される。

燃料電池スタック３０のカソードから排出されるオフガスの排出口には、流路４８が接続されている。流路４８は、燃料電池スタック３０の接続部とは反対側において、流量制御器１６に接続されている。流量制御器１６は、上述したとおり、吸気通路１２に配置され、流量制御器１６に流入したガスの濃度が所定の燃焼範囲になるようにガス流量を調整するように構成されている。

図２は、燃料電池スタック３０内に積層されたＭＥＡについて説明するための図である。図２に示されるように、燃料電池スタック３０内の各ＭＥＡは、アニオン交換膜である電解質膜５０を有している。電解質膜５０の両側にはそれぞれ、アノード極５２とカソード極５４とが形成されている。アノード極５２およびカソード極５４は、触媒が担持された担体から構成される触媒層と、この触媒層にそれぞれ燃料および空気を均一に供給するための拡散層とから形成される。

アノード極５２とカソード極５４との両外側には、一対のセパレータが配置され、電解質膜５０と、アノード極５２とカソード極５４とは、このセパレータにより挟持されている。アノード極５２側のセパレータには、燃料であるアンモニアを流通させるためのアノード燃料流路５６が形成されている。アノード燃料流路５６は燃料電池スタック３０を貫通して形成された燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとに接続している。燃料供給マニホールドは流路３４に、燃料排出マニホールドは流路３６に、それぞれ接続されている。一方、カソード極５４側のセパレータには、酸素（空気）を流通させるためのカソード流路５８が形成されている。カソード流路５８は、燃料電池スタック３０を貫通して形成された酸素供給マニホールドと酸素排出マニホールドに接続している。酸素供給マニホールドは、流路４６に、酸素排出マニホールドは、流路４８に接続している。

[燃料電池運転時における特徴]
燃料電池スタック３０を運転すると、アノード燃料流路５６には、流路３４及び燃料供給マニホールドを介して燃料が供給され、アノードから排出されるオフガスは、燃料排出マニホールドを介して燃料電池スタック３０外部の流路３６に排出される。また、カソード流路５８には、流路４６及び酸素供給マニホールドを介して酸素（空気）が供給され、カソードから排出されるオフガスは、酸素排出マニホールドを介して燃料電池スタック３０外部の流路４８に排出される。

このようにアノード燃料流路５６に燃料が供給され、カソード流路５８に酸素（空気）が供給されると、一部の酸素がカソード極５４の機能により反応し、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成される。この水酸化物イオンは、電解質膜５０を通過してアノード極５２に到達する。アノード極５２には、アンモニア水由来のアンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）が存在するため、このアンモニウムイオンと水酸化物イオンとが反応する。

このような反応に供されなかった残りの空気は、カソードオフガスとして、酸素排出マニホールドを介して、燃料電池スタック３０外の流路４８に流出する。ここで、アノード極５２とカソード極５４とは、電解質膜５０で分離されている。しかしながら、アノード極５２でアンモニアガスが発生し、アノード極５２側から電解質膜５０の小さな穴等を経由してカソード極５４側に漏れ出す現象（クロスリーク現象）を生じる場合がある。この場合には、カソードからは、反応に供されなかった空気と、このアンモニアガスと混合したガス（以下、単に「混合オフガス」と称す。）が排出されることとなる。混合オフガスが、そのまま燃料電池スタック３０外部に排出されると、独特の刺激臭によって車両等の運転者の運転快適性が低下するおそれや、アンモニアのアルカリ腐食によって燃料電池スタック３０の耐久性が低下するおそれがある。

そこで、実施の形態の燃料電池排気処理システムでは、この混合オフガスを内燃機関１０に投入して燃焼させる。具体的には、混合オフガスが流路４８を経由して流量制御器１６に導入される。一方、内燃機関１０には、燃料として、燃料タンク２０に貯蔵される液体アンモニアが、気化器２２を介して気化されて供給される。ここで、燃料タンク２０からの液体アンモニアの供給量は、流量制御器１６により制御される。これにより、流量制御器１６では、混合オフガスと、燃料タンク２０から気化器２２を経由して供給されるアンモニアガスとからなる混合気の燃料濃度が、例えば１５〜２８vol％となるように制御される。このように、燃焼に適した濃度に制御された混合気は、吸気通路１２から、内燃機関１０に供給される。混合気の供給を受けて、内燃機関１０はアンモニアを燃焼させて動力を発生させる。内燃機関１０の動力は車両の駆動力として用いられる。

ここで、混合気中のアンモニアガスと酸素との燃焼反応は次式（１）による。
４ＮＨ_３＋３Ｏ_２ → ２Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（１）

また、アンモニアは、１分子中に窒素原子を含む。このため、アンモニアガスと酸素とからＮＯｘが次式（２）、（３）のように発生する場合がある。
４ＮＨ_３＋５Ｏ_２ → ４ＮＯ＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
４ＮＨ_３＋Ｏ_２ → ２ＮＯ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（３）

このようにして生成したＮＯｘは、次式（４）、（５）に示すように未反応のアンモニアガスと更に反応することが可能である。
６ＮＯ＋４ＮＨ_３ → ５Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（４）
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３ → ７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ ・・・（５）

このように、混合オフガスを流量制御器１６に導入し、気化器２２を経由したアンモニアガスと共に混合気として内燃機関１０に供給することで、クロスリークにより混合オフガス中に混入するアンモニアガスを、内燃機関１０で燃焼することができる。また、混合オフガス中のアンモニアガスからＮＯｘが発生したとしても、このＮＯｘとアンモニアガスとが更に反応することでＮＯｘの処理も可能となる。特に、本実施の形態のように、１分子中に窒素原子を含む化合物をアノード燃料として用い、内燃機関１０で反応させたとしても、発生するＮＯｘの浄化が可能となる。

また、内燃機関１０からの排ガスは、排気通路１４に排出される。排気通路１４には排ガス触媒２４が配置されている。これにより、内燃機関１０から排出される排ガスにＮＯｘやアンモニアが残留していても、排ガス触媒２４で浄化される。

上述のとおり、本実施の形態では、混合オフガス中のアンモニアガスを内燃機関１０で処理することができる。このため、アンモニアガスを処理するための複雑な装置等を設ける必要が無い。したがって、簡易な構成でアンモニアガスの処理が可能となる。また、アンモニアガスは、内燃機関１０の上流に設けられた流量制御器１６によって、所定の濃度に調整されている。したがって、アンモニアガスは、そのクロスリーク量に関わらず内燃機関１０で処理することができる。

また、本実施の形態では、アノード燃料としてのアンモニアは、内燃機関１０に用いる燃料と同一であり、燃料タンク２０に貯蔵されている。このため、燃料を貯蔵するためのタンクスペースが節約できる。また、アンモニアは、燃料タンク２０に液体で貯蔵されている。このため、アンモニアを気体状態で貯蔵するよりもタンクスペースが節約できる。そして、液体アンモニアを、燃料電池スタック３０へは液体で、内燃機関１０へは気化器２２を経由して気体で、それぞれ供給することができる。これらのことから、システム全体の設計が容易となる。

さらに、本実施の形態では、内燃機関１０の下流に排ガス触媒２４が配置されている。このため、内燃機関１０から排出される排出ガス中に、内燃機関１０で処理できなかったアンモニアガスが含まれていたとしても、排ガス触媒２４で処理することができる。特に、内燃機関１０の運転中は、内燃機関１０の燃焼サイクルを経るため混合オフガスが高温となっている。したがって、内燃機関１０の下流に配置された排ガス触媒２４も高床温となる。そして、排ガス触媒２４は高床温で高活性という性質を有する。これらのことから、混合オフガスを内燃機関１０に投入することにより、アンモニアガス、ＮＯｘの処理をより効果的に行うことができる。

なお、本実施の形態においては、流路４８が第１の発明における「カソードオフガス導入経路」に、燃料タンク２０が第２、第３の発明における「燃料貯蔵装置」に、流路１８が第２、第３の発明における「内燃機関用燃料供給経路」に、流路４２が第２の発明における「燃料電池用燃料供給経路」に、気化器２２が第３の発明における「気化装置」に、排ガス触媒２４が第４の発明における「触媒装置」に、それぞれ相当する。

なお、本実施の形態においては、燃料電池スタック３０にアルカリ型燃料電池スタックを用いたが、固体高分子形等の他の燃料電池スタックでもよい。すなわち、アノード燃料がカソード極５４にクロスリークしてしまう燃料電池スタックであって、車両等に搭載可能なものは、本実施の形態の燃料電池スタック３０の変形例として使用可能である。

また、本実施の形態においては、燃料電池スタック３０に用いる燃料と、内燃機関１０に用いる燃料を同一の燃料としたが、必ずしも同一の燃料を用いなくともよい。具体的には、燃料電池スタック３０にはアンモニアを用い、内燃機関１０にはガソリン等公知の燃料を用いてもよい。この場合には、燃料電池スタック３０に用いる燃料を内燃機関１０の助燃剤として機能させることができる。ただし、この場合、燃料タンク２０は燃料電池スタック３０にのみ接続され、内燃機関１０用の燃料タンクと、この燃料タンクから内燃機関１０へ燃料を供給するための供給経路を別途配置する必要がある。

また、本実施の形態においては、混合オフガス中に含まれる空気を内燃機関１０の吸気として用いたが、内燃機関１０の吸気は、燃料電池スタック３０の混合オフガスを用いなくともよい。具体的には、空気取り入れ口４４から内燃機関１０用の吸気を直接供給してもよい。ただし、この場合、空気取り入れ口４４と、吸気通路１２とを接続するための吸気通路を別途配置する必要がある。なお、この場合、流量制御器１６は、混合オフガスと、燃料タンク２０から気化器２２を経由して供給されるアンモニアガスと、空気取り入れ口４４から供給する吸気とからなる混合気の燃料濃度が、内燃機関１０の燃焼に適した濃度となるように燃料流量を制御する。

また、本実施の形態においては、アンモニアは、気化器２２を経由することで内燃機関１０に気体で供給されたが、気化器２２を経由させずに、液体のまま内燃機関１０へ供給してもよい。具体的には、内燃機関１０の燃料として、液体アンモニアを用いてもよい。ただし、この場合、燃料タンク２０から、内燃機関１０へ液体アンモニアを供給するための供給経路を別途配置する必要がある。

また、本実施の形態においては、内燃機関１０と燃料電池スタック３０とを備えるハイブリッドシステムを基本としたが、ハイブリッドシステムでなくてもよい。具体的には、燃料電池スタック３０は、車両の駆動力源として用いられなくともよく、内燃機関１０を備えるシステム内に、燃料電池スタック３０の出力を駆動力源以外で用いられるために配置するものであってもよい。このようなシステムであっても、燃料電池スタック３０から排出される混合オフガスを、内燃機関１０に導入して燃焼させる構造とすることにより、混合オフガスを処理することができる。

また、本実施の形態においては、排気通路１４に排ガス触媒２４が配置されるが、排ガス触媒２４は、必ずしも配置されなくてもよい。混合オフガス中のアンモニアガスを内燃機関１０で処理する限りにおいては、排ガス触媒２４が必ずしも配置されている必要がないからである。

また、本実施の形態においては、アノード燃料としてアンモニアを用いたが、アルカリ型燃料電池に使用可能な、可燃性の他の燃料を用いることもできる。可燃性の他の燃料としては、同一分子内に１つ以上のアミノ基を含む化合物や、同一分子内に１つ以上の水酸基を含む化合物であることが好ましい。また、これらの化合物は、同一分子内に１以上４以下の炭素原子を含むことが好ましい。これらの化合物としては、例えば、メチルアミン、エチルアミン、ｎ−プロピルアミン、イソプロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、ｔ−ブチルアミンといった第１級アミン、ジメチルアミン、ジエチルアミンといった第２級アミン、ヒドラジン、エチレンジアミン、１，１−ジメチルヒドラジン、トリメチレンジアミンといったジアミン、メタノール、エタノール、ブタノールといった第１級アルコールや、エチレングリコール等のジオールも挙げられる。さらに、例えば、２−アミノエタノール、３−アミノプロパノール、１−アミノ−２−プロパノール、４−アミノブタノールといったヒドロキシルアミンも挙げられる。これらの燃料のうちでも、メタノール、エタノールおよびヒドラジンは入手が容易であると同時に、アノード燃料循環システム４０に容易に組み込むことができることから好ましい。

実施の形態１の燃料電池排気処理システムの構成を説明するための図である。 実施の形態１に用いられる、燃料電池スタック３０内に積層された膜−電極接合体について説明するための図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１８ 流路
２０ 燃料タンク
２２ 気化器
２４ 排ガス触媒
３０ 燃料電池スタック
４２ 流路
４８ 流路
５０ 電解質膜
５２ アノード極
５４ カソード極
５６ アノード燃料流路
５８ カソード流路

Claims (5)

1. 内燃機関と、
   燃料供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスを前記内燃機関に導入するカソードオフガス導入経路と、
   を備えることを特徴とする燃料電池排気処理システム。
2. 燃料を貯蔵する燃料貯蔵装置と、
   前記燃料貯蔵装置から前記内燃機関に前記燃料を内燃機関用燃料として供給する内燃機関用燃料供給経路と、
   前記燃料貯蔵装置から前記燃料電池に前記燃料を燃料電池用燃料として供給する燃料電池用燃料供給経路と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池排気処理システム。
3. 前記燃料は、前記燃料貯蔵装置に液体状態で貯蔵され、
   前記内燃機関用燃料供給経路の前記燃料貯蔵装置と前記内燃機関との間に配置され、前記内燃機関用燃料を気化する気化装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池排気処理システム。
4. 前記内燃機関の排気通路に前記カソードオフガスを浄化する触媒装置を備えることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の燃料電池排気処理システム。
5. 前記燃料電池は、アルカリ型燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項に記載の燃料電池排気処理システム。

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