JP2011060509A

JP2011060509A - 燃料電池の水素オフガス処理システム

Info

Publication number: JP2011060509A
Application number: JP2009207292A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Mori; 淳森; Shigeaki Kurita; 茂明栗田; Ryoma Nishimura; 怜馬西村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-08
Also published as: JP5504770B2

Abstract

【課題】燃料電池本体からパージした水素オフガスを空気と共に燃料電池本体に吸引させることで、水素オフガスをそのまま大気中に放出することなく且つ新たに特別な処理装置を追加することなく、水素オフガスを適切に処理する。
【解決手段】水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池本体１３と、燃料電池本体１３に空気を供給する空気吸入ライン１４と、燃料電池本体１３に水素を供給する水素供給ライン１５と、燃料電池本体１３から排気を排出する排気ライン１６と、燃料電池本体１３内の水素ガスをパージするときにパージした水素オフガスが排出される水素パージライン１７とを備えた燃料電池の水素オフガス処理システムであって、水素パージライン１７を空気吸入ライン１４の途中に接続し、燃料電池本体１３からパージした水素オフガスを空気と共に空気吸入ライン１４を通じて燃料電池本体１３に吸引させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池の水素オフガス処理システムに関する。

図４に示すように、燃料電池４０は、燃料電池本体４１のセル内で水素ガスと空気中の酸素とを反応させて発電するものである（特許文献１及び２等参照）。例えば、燃料電池４０は、図示しない車両に搭載され、車両補機（図示例では、ランプ４２）に電力を供給する車両補機電源として使用される。

例えば、水素ガスは、水素ボンベ４３に貯留されており、水素供給ライン４４を通じて水素ボンベ４３から燃料電池本体４１に供給される。一方、空気は、図示しない空気吸入ラインを通じて燃料電池本体４１に供給される。

このような燃料電池４０では、発電性能の低下を抑制するために定期的に燃料電池本体４１のセル内に滞留した水素ガスをパージし、燃料電池本体４１から水素オフガスを排出している。このとき、従来の燃料電池４０では、水素オフガスを水素パージライン４５を通じてそのまま大気中に放出していた。

しかし、水素オフガスをそのまま大気中に放出すると、放出した水素オフガスに引火する危険などがある。そのため、図５に示すように、水素オフガスを酸化触媒４６を用いて処理する方法や、水素オフガスを空気希釈した後に大気中に放出する処理方法がとられている。

特開２００３−７７４８４号公報特開２００５−１５８５５４号公報

酸化触媒を用いる処理方法は水素オフガスを完全燃焼処理できるが、酸化触媒に白金触媒を用いるため高価である。また、燃焼で生じる熱を冷却する必要もあり、そのための冷却機構が別途必要となる。

また、空気希釈による処理方法は水素オフガスを空気によって爆発下限界未満の濃度に希釈して放出するもので比較的安価であるが、希釈装置が別途必要となる。

そこで、本発明の目的は、燃料電池本体からパージした水素オフガスを空気と共に燃料電池本体に吸引させることで、水素オフガスをそのまま大気中に放出することなく且つ新たに特別な処理装置を追加することなく、水素オフガスを適切に処理することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体に空気を供給する空気吸入ラインと、前記燃料電池本体に水素を供給する水素供給ラインと、前記燃料電池本体から排気を排出する排気ラインと、前記燃料電池本体内の水素ガスをパージするときにパージした水素オフガスが排出される水素パージラインとを備えた燃料電池の水素オフガス処理システムであって、前記水素パージラインを前記空気吸入ラインの途中に接続し、前記燃料電池本体からパージした水素オフガスを空気と共に前記空気吸入ラインを通じて前記燃料電池本体に吸引させるものである。

ここで、前記水素パージラインに設けられ、前記水素パージラインから前記空気吸入ラインへと送られる水素オフガスの流量を調節するための制御弁を備えても良い。

また、前記制御弁の弁開度を制御するコントローラを備え、該コントローラは、前記水素パージラインから前記空気吸入ラインへと送られた水素オフガスが前記空気吸入ライン内の空気によって爆発下限界未満の濃度に希釈されるように、前記水素パージラインから前記空気吸入ラインへと送られる水素オフガスの流量を前記制御弁により調節するものであっても良い。

本発明によれば、燃料電池本体からパージした水素オフガスを空気と共に燃料電池本体に吸引させることで、水素オフガスをそのまま大気中に放出することなく且つ新たに特別な処理装置を追加することなく、水素オフガスを適切に処理することができるという優れた効果を奏する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の水素オフガス処理システムの概略図である。図２は、水素オフガス処理の制御機構を示す図である。図３は、水素オフガス流量制御の流れを示す図である。図４は、従来の燃料電池の概略図である。図５は、水素オフガス処理の概要図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態に係る燃料電池の水素オフガス処理システム１０は、図示しない車両（例えば、商業車）に搭載されるものである。

図１及び図２に示すように、本実施形態の燃料電池１１は、車両補機（図示例では、ランプ１２）に電力を供給する車両補機電源として使用される。また、本実施形態の燃料電池１１は、燃料電池本体１３のセル内で水素ガスと空気中の酸素とを反応させて発電するものである。

燃料電池本体１３には、燃料電池本体１３に空気を供給する空気吸入ライン１４と、水素ガスを燃料電池本体１３に供給する水素供給ライン１５と、燃料電池本体１３から排気を排出する排気ライン１６と、燃料電池本体１３のセル内の水素ガスをパージするときにパージした水素オフガスが排出される水素パージライン１７とが設けられる。本実施形態では、水素パージライン１７は、空気吸入ライン１４の途中に接続される。

水素ガスは、水素ボンベ１８に貯留されており、水素供給ライン１５を通じて水素ボンベ１８から燃料電池本体１３に供給される。一方、空気は、図示しないコンプレッサによって空気吸入ライン１４に吸入され、空気吸入ライン１４を通じて燃料電池本体１３に供給される。例えば、上記コンプレッサは空気吸入ライン１４の水素パージライン１７との接続部２４よりも吸入空気下流側に配設される。また、燃料電池本体１３から排出された排気は、排気ライン１６を通じて大気中に放出される。

また、本実施形態に係る水素オフガス処理システム１０は、水素パージライン１７に設けられ、水素パージライン１７から空気吸入ライン１４へと送られる水素オフガスの流量を調節するための制御弁１９と、制御弁１９の弁開度を制御するコントローラ２０と、水素パージライン１７の制御弁１９よりも水素オフガス上流側に配設され、燃料電池本体１３からパージされた水素オフガスを一時的に貯留するガスタンク２１とを備える。

本実施形態では、燃料電池１１の発電性能の低下を抑制するために、発電に用いられる水素ガスの流量よりも多量の水素ガスを燃料電池本体１３のセル内に供給して、燃料電池本体１３のセル内に滞留した水素ガスをパージするガスパージを定期的に実行するようになっている。

燃料電池本体１３からパージされた水素オフガスは、引火の危険性があるため処理を適切に行う必要がある。また、上述のように、従来型の空気希釈処理方法は新たに希釈装置を装備する必要がある。一方、本実施形態に係る水素オフガス処理システム１０は、以下のような動作で水素オフガスを処理する。

（１）ガスパージが実行され、水素ガスが燃料電池本体１３からパージされると、燃料電池本体１３からパージされた水素オフガスは水素パージライン１７を通ってガスタンク２１に一時的に貯留される。

（２）ガスタンク２１に貯留された水素オフガスは爆発下限界未満の濃度に希釈されるように流量が制御弁１９により調節されて空気吸入ライン１４へと送られ、水素オフガスが空気と共に空気吸入ライン１４を通じて燃料電池本体１３に吸引される。

このような動作により水素オフガスを安全に処理するためには、空気及び水素オフガスの流量の制御が重要である。

水素オフガス処理の制御機構を図２に示す。

図２に示すように、本実施形態に係る水素オフガス処理システム１０は、水素パージライン１７内の水素オフガスの圧力を検知する圧力計２２と、空気吸入ライン１４に吸入される空気の流量を検知する流量計２３とを備える。本実施形態では、圧力計２２は水素パージライン１７の制御弁１９とガスタンク２１との間に配設され、流量計２３は空気吸入ライン１４の水素パージライン１７との接続部２４よりも吸入空気上流側に配設される。

水素オフガス流量制御の流れを図３に示す。

図３に示すように、制御弁１９の弁開度の制御を行う際は、圧力計２２で水素パージライン１７内の水素オフガスの圧力を検知すると共に、流量計２３で空気吸入ライン１４に吸入される空気の流量を検知し、圧力計２２で検知した水素オフガスの圧力と流量計２３で検知した空気の流量とに基づいて、水素パージライン１７から空気吸入ライン１４へと送られた水素オフガスが空気吸入ライン１４内の空気によって濃度４％（水素の爆発下限界）未満に希釈されるように制御弁１９の弁開度を設定する（ステップＳ１）。そして、設定した弁開度となるように制御弁１９の弁開度をコントローラ２０で制御する。このようにすることで、水素オフガスを空気によって爆発下限界未満の濃度に希釈できる。即ち、本実施形態においては、コントローラ２０は、水素オフガスと混合されて燃料電池本体１３に吸引される空気の水素濃度が水素の爆発下限界未満となるように、水素パージライン１７から空気吸入ライン１４へと送る水素オフガスの流量を制御弁１９によって調節する。

水素消費量が１Ｌ／ｍｉｎである燃料電池１１の場合、吸入大気量は４１．９８Ｌ／ｍｉｎであり、水素の爆発下限界が４％であるため、爆発下限界未満の安全な濃度で燃料電池本体１３に吸入させることができる水素オフガスは約１．６８Ｌ／ｍｉｎ未満となる。また、大気中にも水素が含まれているが、その量は０．０１％程度なので無視しても問題ないと考えられる。

このことから、水素消費量及び吸入大気量に対して、水素オフガスを爆発下限界未満の安全な濃度で燃料電池本体１３に吸引させることができる量は十分大きい（水素消費量＞水素オフガス量と考えられるため）ので、燃料電池本体１３からパージした水素オフガスを空気と共に燃料電池本体１３に吸引させることにより、水素オフガスをそのまま大気中に放出することなく安全に処理することができる。

以上要するに、本実施形態では、燃料電池本体１３の水素パージライン１７を燃料電池本体１３の空気吸入ライン１４の途中に接続し、燃料電池本体１３からパージした水素オフガスを空気と共に空気吸入ライン１４を通じて燃料電池本体１３に吸引させることとしたので、燃料電池本体１３からパージした水素オフガスを空気吸入ライン１４内の空気と混合して燃料電池本体１３に吸引させることができ、燃料電池本体１３からパージした水素オフガスをそのまま大気中に放出することなく適切に処理することが可能となる。

また、本実施形態では、燃料電池本体１３からパージした水素オフガスを水素パージライン１７を通じて空気吸入ライン１４へと送り、空気と共に空気吸入ライン１４を通じて燃料電池本体１３に吸引させており、水素パージライン１７から空気吸入ライン１４へと送られた水素オフガスは空気吸入ライン１４内の空気によって希釈されるので、新たに特別な処理装置（酸化触媒や希釈装置等）を追加する必要はない。

また、本実施形態では、水素パージライン１７に、水素パージライン１７から空気吸入ライン１４へと送られる水素オフガスの流量を調節するための制御弁１９と、制御弁１９の弁開度を制御するコントローラ２０とを備え、コントローラ２０は、水素パージライン１７から空気吸入ライン１４へと送られた水素オフガスが空気吸入ライン１４内の空気によって爆発下限界未満の濃度に希釈されるように、水素パージライン１７から空気吸入ライン１４へと送られる水素オフガスの流量を制御弁１９により調節するので、燃料電池本体１３に吸引させる水素オフガスの濃度を爆発下限界未満の安全な濃度になるようにすることができ、燃料電池本体１３からパージされた水素オフガスを適切に処理することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、水素パージライン１７に、水素パージライン１７を開閉する開閉弁手段（開閉弁等）を設けて、この開閉弁手段によってガスパージ時にのみ水素パージライン１７を開くようにしても良い。この場合、開閉弁手段を、水素パージライン１７のガスタンク２１よりも水素オフガス上流側に配設する。

１０水素オフガス処理システム
１１燃料電池
１３燃料電池本体
１４空気吸入ライン
１５水素供給ライン
１６排気ライン
１７水素パージライン
１９制御弁
２０コントローラ

Claims

水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体に空気を供給する空気吸入ラインと、前記燃料電池本体に水素を供給する水素供給ラインと、前記燃料電池本体から排気を排出する排気ラインと、前記燃料電池本体内の水素ガスをパージするときにパージした水素オフガスが排出される水素パージラインとを備えた燃料電池の水素オフガス処理システムであって、
前記水素パージラインを前記空気吸入ラインの途中に接続し、前記燃料電池本体からパージした水素オフガスを空気と共に前記空気吸入ラインを通じて前記燃料電池本体に吸引させることを特徴とする燃料電池の水素オフガス処理システム。
前記水素パージラインに設けられ、前記水素パージラインから前記空気吸入ラインへと送られる水素オフガスの流量を調節するための制御弁を備える請求項１に記載の燃料電池の水素オフガス処理システム。
前記制御弁の弁開度を制御するコントローラを備え、
該コントローラは、前記水素パージラインから前記空気吸入ラインへと送られた水素オフガスが前記空気吸入ライン内の空気によって爆発下限界未満の濃度に希釈されるように、前記水素パージラインから前記空気吸入ラインへと送られる水素オフガスの流量を前記制御弁により調節する請求項２に記載の燃料電池の水素オフガス処理システム。