JP2014072093A - 燃料電池システムの排ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスが中和剤供給管を逆流することを防止できる、燃料電池システムの排ガス処理装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１１のエア流路から排出される気体（排ガス）は、パージ管５２を流通する。パージ管５２と接続管１０６との間には、スクラバ１０３が介装されている。スクラバ１０３には、中和剤供給管１０２が接続されている。中和剤供給管１０２には、中和剤ポンプ１０５が介装されている。中和剤ポンプ１０５の働きにより、燃料電池１１からの排ガスに含まれるアンモニアを中和するための中和剤が中和剤供給管１０２からスクラバ１０３に送り込まれる。エアコンプレッサ４１による燃料電池１１へのエアの供給の開始に先立ち、中和剤ポンプ１０５が始動される。言い換えれば、中和剤ポンプ１０５が始動された後、燃料電池１１へのエアの供給が開始される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに適用され、燃料電池からの排ガスを処理する排ガス処理装置に関する。

燃料電池システムとして、液体燃料であるヒドラジンを燃料電池に供給するものが知られている。

燃料電池は、たとえば、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。アノードには、燃料循環路が接続されている。すなわち、燃料循環路の一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環路からヒドラジンが供給され、アノードを通過したヒドラジンは、燃料循環路に排出される。一方、カソードには、空気が供給される。

アノードでは、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応のヒドラジンとともに、燃料循環路に排出される。一方、カソードでは、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。

特開２０１１−２１６３４１号公報

また、アノードでは、ヒドラジンの自然分解が起こり、分解物として、アンモニア（ＮＨ_３）が生成する。そのため、アノードから排出される排出物には、ヒドラジン、窒素ガスおよび水の他に、アンモニアが含まれる。そのため、その排出物を液体であるヒドラジンおよび水と気体である窒素ガスおよびアンモニアとに分離した後、窒素ガスおよびアンモニアを含む排ガスからアンモニアを除去する処理が必要となる。

この処理のために、排ガスが流通する排ガス流路の途中部にスクラバを介装し、スクラバに中和剤供給管を接続して、中和剤供給管の先端の噴射口からスクラバ内に中和剤を噴射することにより、スクラバ内で排ガス中のアンモニアと中和剤とを反応させる構成が考えられる。中和剤は、ポンプにより、中和剤供給管を噴射口に向けて圧送される。

ところが、中和剤供給管内の圧力がスクラバ内の圧力よりも低いときに、排ガスが中和剤供給管を逆流するおそれがある。ポンプの駆動前に、排ガスが中和剤供給管を逆流すると、ポンプの始動時にエア噛みが生じ、中和剤を良好に送ることができない。

本発明の目的は、排ガスが中和剤供給路を逆流することを防止できる、燃料電池システムの排ガス処理装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムの排ガス処理装置は、燃料電池と、前記燃料電池に液体燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池にエアを供給するエア供給手段とを含む燃料電池システムに適用され、前記燃料電池からの排ガスを処理する。前記排ガス処理装置は、前記燃料電池からの排ガスが流通する排ガス流路と、前記排ガス流路の途中部に介装されたスクラバと、前記スクラバに接続され、前記燃料電池からの排ガスに含まれる有害物質を中和するための中和剤が流通する中和剤供給路と、前記中和剤供給路の途中部に介装され、中和剤を前記スクラバに向けて送るための中和剤ポンプと、前記エア供給手段による前記燃料電池へのエアの供給の開始に先立ち、前記中和剤ポンプを始動させるポンプ制御手段とを含む。

この構成によれば、燃料電池からの排ガスは、排ガス流路を流通する。排ガス流路の途中部には、スクラバが介装されている。スクラバには、中和剤供給路が接続されている。中和剤供給路には、中和剤ポンプが介装されている。中和剤ポンプの働きにより、燃料電池からの排ガスに含まれる有害物質を中和するための中和剤が中和剤供給路からスクラバに送り込まれる。スクラバにおいて、排ガスと中和剤とが混ざり合い、排ガス中の有害物質が中和剤で中和されることにより、排ガス中から有害物質が除去される。

エア供給手段による燃料電池へのエアの供給の開始に先立ち、中和剤ポンプが始動される。言い換えれば、中和剤ポンプが始動された後、燃料電池へのエアの供給が開始される。これにより、中和剤ポンプの始動前に、排ガスが中和剤供給路を逆流することを防止できる。その結果、中和剤ポンプの始動時にエア噛みが発生することを防止でき、中和剤ポンプを良好に始動させることができる。

また、排ガスがスクラバを流通し始める前に、スクラバに中和剤が供給されているので、燃料電池からの排ガスの排出の開始時から、排ガス中の有害物質を良好に除去することができる。その結果、有害物質を含む排ガスが外部に放出されることを防止できる。

中和剤ポンプの始動後であっても、中和剤ポンプの吐出圧がスクラバの出入口間の差圧よりも小さいと、スクラバから中和剤供給路に排ガスが流入するおそれがある。

そこで、ポンプ制御手段は、エア供給手段によって燃料電池に供給されるエアの流量に基づいて、スクラバの出入口間の差圧を取得し、中和剤ポンプの吐出圧が差圧以上となるように、中和剤ポンプを制御することが好ましい。

これにより、中和剤ポンプの始動後に、スクラバから中和剤供給路に排ガスが流入することを防止でき、排ガスが中和剤供給路を逆流することを防止できる。また、スクラバの出入口間の差圧が考慮されずに、中和剤の流量が中和剤供給路における排ガスの逆流の防止に対して十分な余裕を有する流量となるように、中和剤ポンプが駆動される構成と比較して、中和剤ポンプの消費電力を低く抑えることができる。

スクラバは、排ガスの流通方向における上流側の端部が下流側の端部よりも上方に位置するように水平方向に対して傾斜していることが好ましい。

このスクラバの傾斜により、排ガスが中和剤噴射口から中和剤供給路に流入することを一層防止できる。

本発明によれば、中和剤ポンプの始動前に、排ガスが中和剤供給路を逆流することを防止できる。その結果、中和剤ポンプの始動時にエア噛みが発生することを防止でき、中和剤ポンプを良好に始動させることができる。また、燃料電池からの排ガスの排出の開始時から、排ガス中の有害物質を良好に除去することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス処理装置が備えられた燃料電池システムの構成図である。 図２は、スクラバの構成を図解的に示す側面図である。 図３は、排ガス処理装置の電気的構成の要部を示すブロック図である。 図４は、排ガス処理の開始時に実行される制御の流れを示すフローチャートである。 図５は、排ガス処理の終了時に実行される制御の流れを示すフローチャートである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜システム構成＞

図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス処理装置が備えられた燃料電池システムの構成図である。

燃料電池システム１は、液体燃料を用いる燃料電池システム（ＦＣシステム）であり、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。

燃料電池システム１は、燃料電池１１を備えている。

燃料電池１１は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。各セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。

膜／電極接合体は、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜は、たとえば、アニオン（ＯＨ⁻）を透過させる性質を有する。

セパレータの両面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝（図示せず）が形成されている。膜／電極接合体のアノードに対向する凹溝は、燃料流路として形成されている。燃料流路の一端および他端は、それぞれ燃料入口１２および燃料出口１３に接続されている。膜／電極接合体のカソードに対向する凹溝は、エア流路として形成されている。エア流路の一端および他端は、それぞれエア入口１４およびエア出口１５に接続されている。また、各セル間では、一方のセルのセパレータに形成された凹溝と他方のセルのセパレータに形成された凹溝とが重なり合い、それらの凹溝が冷却水流路を形成している。冷却水流路の一端および他端は、それぞれ冷却水入口１６および冷却水出口１７に接続されている。

燃料電池システム１は、燃料循環システム２０を備えている。

燃料循環システム２０には、第１燃料タンク２１、第２燃料タンク２２、燃料サブタンク２３および気液分離器２４が含まれる。

第１燃料タンク２１には、液体燃料として、たとえば、常温のヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）が貯留されている。第１燃料タンク２１には、第１燃料補給管２５の一端が接続されている。第１燃料補給管２５の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。第１燃料補給管２５の途中部には、第１燃料供給ポンプ２６が介装されている。

第２燃料タンク２２には、電解液として、たとえば、常温の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が貯留されている。第２燃料タンク２２には、第２燃料補給管２７の一端が接続されている。第２燃料補給管２７の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。第２燃料補給管２７の途中部には、第２燃料供給ポンプ２８が介装されている。

燃料サブタンク２３には、電解液に混合された液体燃料、たとえば、水酸化カリウム水溶液に混合されたヒドラジンが貯留されている。燃料サブタンク２３には、燃料供給管２９の一端が接続されている。燃料供給管２９の他端は、燃料電池１１の燃料入口１２に接続されている。燃料供給管２９の途中部には、燃料循環ポンプ３０が介装されている。

燃料電池１１の燃料出口１３には、燃料排出管３１の一端が接続されている。燃料排出管３１の他端は、気液分離器２４に接続されている。

気液分離器２４の底部には、燃料帰還管３２の一端が接続されている。燃料帰還管３２の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。燃料帰還管３２の途中部には、ストレーナ３３が介装されている。また、気液分離器２４の上部には、パージ管３４の一端が接続されている。

燃料電池システム１は、給排気システム４０を備えている。

給排気システム４０には、エアコンプレッサ４１および気液分離器４２が含まれる。

エアコンプレッサ４１の吸込口には、吸気管４３の一端が接続されている。吸気管４３の他端は、エアクリーナ４４に接続されている。吸気管４３には、吸気管４３を流通するエアの流量を検出するエア流量計４５が設けられている。

エアコンプレッサ４１の吐出口には、エア供給管４６の一端が接続されている。エア供給管４６の他端は、燃料電池１１のエア入口１４に接続されている。エア供給管４６の途中部には、インタークーラ４７が介装されている。

燃料電池１１のエア出口１５には、エア排出管４８の一端が接続されている。エア排出管４８の他端は、気液分離器４２に接続されている。

気液分離器４２の底部には、回収管４９の一端が接続されている。回収管４９の他端は、気液分離器２４に接続されている。回収管４９の途中部には、環流電磁弁５０およびフィルタ５１が気液分離器４２側からこの順に介装されている。気液分離器４２の上部には、パージ管５２の一端が接続されている。パージ管５２の途中部には、エア背圧調整弁５３が介装されている。

また、給排気システム４０には、排ガス処理装置１００が含まれる。

排ガス処理装置１００は、中和剤タンク１０１、中和剤供給管１０２、スクラバ１０３および気液分離器１０４を備えている。

中和剤タンク１０１には、中和剤として、たとえば、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）が貯留されている。

中和剤供給管１０２の一端は、中和剤タンク１０１に接続されている。中和剤供給管１０２の途中部には、中和剤ポンプ１０５が介装されている。

スクラバ１０３の入口には、気液分離器４２から延びるパージ管５２の他端が接続されている。スクラバ１０３における入口の近傍には、中和剤供給管１０２の他端が接続されている。スクラバ１０３の出口には、接続管１０６の一端が接続されている。接続管１０６の他端は、気液分離器１０４の側壁に接続されている。

気液分離器１０４の側壁にはさらに、気液分離器２４から延びるパージ管３４の他端が接続されている。気液分離器１０４の底部には、中和剤帰還管１０７の一端が接続されている。中和剤帰還管１０７の他端は、中和剤タンク１０１に接続されている。また、気液分離器１０４の上部には、排気管１０８の一端が接続されている。

排気管１０８の途中部には、マフラー１０９が介装されている。排気管１０８には、排気管１０８からの排気中のアンモニア濃度を検出するＮＨ_３センサ１１０が設けられている。

燃料電池システム１は、冷却システム１２０を備えている。

冷却システム１２０は、燃料電池１１の冷却水入口１６から冷却水流路に冷却水を供給する。冷却水は、冷却水流路を流通した後、冷却水出口１７から排出されて、冷却システム１２０に戻される。冷却水が冷却水流路を流通することにより、燃料電池１１が冷却される。

＜発電動作＞

燃料電池１１による発電のために、燃料循環ポンプ３０が駆動される。燃料循環ポンプ３０が駆動されると、燃料サブタンク２３に貯留されている液体燃料を含む液体が燃料供給管２９に吸い出される。そして、燃料供給管２９を液体が流通し、その液体が燃料電池１１の燃料入口１２から燃料電池１１の燃料流路に供給される。

また、燃料電池１１による発電のために、エアコンプレッサ４１が駆動される。エアコンプレッサ４１が駆動されると、エア（大気）がエアクリーナ４４を通して吸気管４３に取り込まれる。吸気管４３に取り込まれたエアは、エアコンプレッサ４１で圧縮されて、エアコンプレッサ４１からエア供給管４６に送り出される。エアコンプレッサ４１での圧縮に伴って温度が上昇したエアは、エア供給管４６を流通する途中で、インタークーラ４７によって冷却される。そして、冷却後のエアは、燃料電池１１のエア入口１４を通して、燃料電池１１のエア流路に供給される。

燃料電池１１の燃料流路を液体燃料を含む液体が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池１１において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。

具体的には、アノードにおいて、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路から燃料出口１３を通して燃料排出管３１に流出する。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。

ＮＨ_２ＮＨ_２＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）

この結果、アノードとカソードとの間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。

燃料電池１１の燃料流路を流通した液体は、燃料出口１３から燃料排出管３１に排出される。燃料電池１１のアノードでは、液体燃料であるヒドラジンの自然分解が起こり、分解物として、アンモニア（ＮＨ_３）が生成する。そのため、燃料排出管３１に排出される液体には、ヒドラジン、窒素ガスおよび水の他に、アンモニアが含まれる。燃料排出管３１に排出される液体は、燃料排出管３１を通して、気液分離器２４に流入する。気液分離器２４では、燃料排出管３１から流入する液体からその液体に含まれる気体（窒素ガスおよびアンモニア）が分離される。

脱気された液体は、気液分離器２４内の下部（底部）に集まり、気液分離器２４から燃料帰還管３２に流出する。燃料帰還管３２に流出した液体は、燃料帰還管３２を流通し、その途中でストレーナ３３を通過する。液体がストレーナ３３を通過することにより、液体から異物（固形物）が除去される。その後、燃料帰還管３２を流通する液体は、燃料帰還管３２から燃料サブタンク２３に戻る。

こうして、液体燃料を含む液体は、燃料サブタンク２３、燃料供給管２９、燃料電池１１の燃料流路、燃料排出管３１、気液分離器２４および燃料帰還管３２を含む燃料循環路を循環する。

気液分離器２４内で液体から分離された気体は、気液分離器２４からパージ管３４に流出し、パージ管３４を排ガス処理装置１００に向けて流通する。そして、パージ管３４を流通する気体は、排ガス処理装置１００を経由して、大気に放出される。

燃料電池１１のエア流路を流通したエアは、エア出口１５からエア排出管４８に排出される。

燃料電池１１内では、水および液体燃料が膜／電極接合体のアノードから固体高分子膜を透過してカソードに移動する、いわゆるクロスリークが発生する。そのため、エア排出管４８に流出するエアには、そのクロスリークした液体燃料（ヒドラジン）、その液体燃料の自然分解によって生成されるアンモニアおよび水の蒸気が含まれる。

エア排出管４８に流出した気体は、エア排出管４８を流通して、気液分離器４２に流入する。気液分離器４２では、エア排出管４８から流入する気体とそのエアに含まれる液体燃料などの液体とが分離される。

液体が除去された気体は、気液分離器４２からパージ管５２に流出し、パージ管５２を排ガス処理装置１００に向けて流通する。そして、パージ管５２を流通する気体は、排ガス処理装置１００を経由して、大気に放出される。

一方、気体から分離した液体は、気液分離器４２内の下部（底部）に集まる。環流電磁弁５０が閉じられている間、その液体は、気液分離器４２内の下部に溜められる。気液分離器４２内に溜められた液体は、エア背圧調整弁５３の開度が小さくされて、気液分離器４２内の圧力が通常よりも高められた状態で、環流電磁弁５０が開かれることにより、回収管４９を通して、気液分離器２４に送られる（回収される）。液体が回収管４９を流通する途中でフィルタ５１を通過することにより、液体から異物が除去される。気液分離器２４に流入した液体は、気液分離器２４内の下部（底部）に集まり、気液分離器２４から燃料帰還管３２に流出し、燃料帰還管３２を流通して、燃料帰還管３２から燃料サブタンク２３に戻る。

＜燃料補給動作＞

燃料電池システム１の稼働中に、燃料サブタンク２３に液体燃料を補給する必要が生じると、第１燃料供給ポンプ２６および／または第２燃料供給ポンプ２８が駆動される。

第１燃料供給ポンプ２６が駆動されると、第１燃料タンク２１から第１燃料補給管２５に液体燃料（ヒドラジン）が汲み出される。そして、その液体燃料が第１燃料補給管２５を通して燃料サブタンク２３に供給される。

第２燃料供給ポンプ２８が駆動されると、第２燃料タンク２２から第２燃料補給管２７に電解液（水酸化カリウム水溶液）が汲み出される。そして、その電解液が第２燃料補給管２７を通して燃料サブタンク２３に供給される。

＜スクラバ＞

図２は、スクラバの構成を図解的に示す側面図である。

スクラバ１０３は、管状部材１３１および充填材１３２を備えている。

管状部材１３１は、その入口１３３が出口１３４よりも高い位置に位置するように、水平方向に対して傾斜している。管状部材１３１の入口１３３は、スクラバ１０３の入口をなし、気液分離器４２（図１参照）から延びるパージ管５２が接続されている。管状部材１３１の出口１３４は、スクラバ１０３の出口をなし、接続管１０６の一端が接続されている。

管状部材１３１の周面における入口１３３の近傍の位置には、中和剤供給口１３５が形成されている。中和剤供給口１３５には、管状部材１３１の外側から、中和剤供給管１０２が接続されている。

管状部材１３１内には、中和剤噴射管１３６が設けられている。中和剤噴射管１３６の基端は、中和剤供給口１３５に接続されている。中和剤噴射管１３６は、その基端から管状部材１３１の中心軸線に向けて延び、出口１３４側に湾曲している。そして、中和剤噴射管１３６の先端は、中和剤噴射口１３７として開放されており、管状部材１３１を排ガスの流通方向に直交する面で切断したときの断面における中央部に、中和剤噴射口１３７を出口１３４側に向けて配置されている。

充填材１３２は、管状部材１３１内において、中和剤噴射口１３７よりも出口１３４側に配置されている。

＜電気的構成＞

図３は、排ガス処理装置の電気的構成の要部を示すブロック図である。

燃料電池システム１は、ＣＰＵおよびメモリを含む構成のＦＣ−ＥＣＵ（電子制御ユニット）１４１を備えている。燃料電池システム１の各部は、ＦＣ−ＥＣＵ１４１によって制御される。

排ガス処理を実行するため、ＦＣ−ＥＣＵ１４１には、エア流量計４５およびＮＨ_３センサ１１０が接続されている。そして、ＦＣ−ＥＣＵ１４１は、メモリに格納されたプログラムに従い、エア流量計４５およびＮＨ_３センサ１１０から入力される信号に基づいて、中和剤ポンプ１０５の駆動を制御することにより、排ガス処理を実行する。

＜排ガス処理＞

図４は、排ガス処理の開始時に実行される制御の流れを示すフローチャートである。

排ガス処理の開始時には、まず、中和剤ポンプ１０５の動作（駆動）が開始される（ステップＳ１）。

中和剤ポンプ１０５が駆動されると、中和剤タンク１０１から中和剤供給管１０２に中和剤である硫酸を含む液体が汲み出される。この中和剤を含む液体は、中和剤供給管１０２をスクラバ１０３に向けて流通する。そして、中和剤を含む液体は、スクラバ１０３の中和剤噴射口１３７から管状部材１３１内に噴射される。

次に、中和剤ポンプ１０５の始動から一定時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ２）。一定時間は、中和剤ポンプ１０５の動作が安定するのに十分な時間に設定されている。

中和剤ポンプ１０５の始動から一定時間が経過すると（ステップＳ２のＹＥＳ）。中和剤ポンプ１０５の動作が安定したと判断されて、エアコンプレッサ４１の動作が許可される（ステップＳ３）。

この許可を受けて、エアコンプレッサ４１の動作（駆動）が開始される。

エアコンプレッサ４１が駆動されると、吸気管４３、エア供給管４６、燃料電池１１のエア流路、エア排出管４８、気液分離器４２およびパージ管５２をエアが流通する。エア排出管４８、気液分離器４２およびパージ管５２を流通するエア（気体）には、燃料電池１１内でクロスリークした液体燃料（ヒドラジン）の自然分解によって生成されるアンモニアが含まれる。

アンモニアを含む気体は、パージ管５２からスクラバ１０３の管状部材１３１内に流入する。中和剤噴射口１３７から噴射される中和剤を含む液体は、管状部材１３１内でパージ管５２から送り込まれる気体に混ざり、充填材１３２を通過する。このとき、中和剤と気体とが十分に接触し、気体に含まれるアンモニアと中和剤である硫酸とが中和して、硫酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４）が生成される。

充填材１３２を通過する中和剤および硫酸アンモニウムを含む気体は、スクラバ１０３から接続管１０６を通して気液分離器１０４に流入する。一方、気液分離器１０４には、パージ管３４を流通する気体が送り込まれる。気液分離器１０４内では、スクラバ１０３からの中和剤を含む液体とパージ管３４から送り込まれる気体とが混ざり合い、その気体に含まれるアンモニアと中和剤である硫酸とが中和する。そして、気液分離器１０４内において、中和剤を含む液体とアンモニアが除去された気体とが分離される。

中和剤を含む液体は、気液分離器１０４内の下部（底部）に集まり、中和剤帰還管１０７を通して、中和剤タンク１０１に戻る。このようにして、中和剤である硫酸を含む液体は、中和剤タンク１０１、中和剤供給管１０２、スクラバ１０３、気液分離器１０４および中和剤帰還管１０７を含む中和剤循環路を循環する。

気液分離器１０４内で中和剤を含む液体から分離された気体は、排気管１０８を流通し、その途中でマフラー１０９を通過し、その際にアンモニアなどの有害物質がさらに除去された後、大気に放出される。

エアコンプレッサ４１の動作が許可された後、スクラバ１０３の出入口間の差圧が取得される（ステップＳ４）。

エアコンプレッサ４１が制御されて、スクラバ１０３を通過する気体の流量（エア流量）が変更される。その一方で、スクラバ１０３内の圧力が検出される。そして、スクラバ１０３を通過する気体の流量とスクラバ１０３内の圧力との関係が求められて、その関係（Ｐ−Ｑ特性）がＦＣ−ＥＣＵ１４１のメモリに記憶されている。そのＰ−Ｑ特性およびエア流量計４５によって検出されるエアの流量に基づいて、スクラバ１０３の出入口間の差圧を取得することができる。

スクラバ１０３の出入口間の差圧が取得されると、中和剤ポンプ１０５の吐出圧がその回転数から求められる。そして、中和剤ポンプ１０５の吐出圧がスクラバ１０３の出入口間の差圧以上となるように、中和剤ポンプ１０５に供給される目標電力値が補正され、その補正後の目標電力値に基づいて、中和剤ポンプ１０５が制御される（ステップＳ５）。

その後、スクラバ１０３への中和剤の供給量が不足していないか否かが判断される（ステップＳ６）。スクラバ１０３内および気液分離器１０４内でのアンモニアの中和に必要な中和剤の量は、燃料電池１１の発電状態、具体的には、燃料電池１１に供給される液体（液体燃料）の温度、その液体中の液体燃料の濃度および燃料電池１１に供給されるエアの流量に基づいて予測可能である。

スクラバ１０３への中和剤の供給量が不足している場合には（ステップＳ６のＹＥＳ）、中和剤ポンプ１０５の回転数が上昇するように、中和剤ポンプ１０５に供給される目標電力値が補正され、その補正後の目標電力値に基づいて、中和剤ポンプ１０５が制御される（ステップＳ７）。

スクラバ１０３への中和剤の供給量が不足していない場合には（ステップＳ６のＮＯ）、その時点における中和剤ポンプ１０５の回転数がそのまま保持される。

その後、ＮＨ_３センサ１１０の出力が参照される。そして、マフラー１０９を通過した気体に含まれるアンモニアの濃度に基づいて、排ガス処理の能力が依然として不足していないか否かが判断される（ステップＳ８）。

排ガス処理の能力が依然として不足している場合には（ステップＳ８のＹＥＳ）、中和剤ポンプ１０５の回転数がさらに上昇するように、中和剤ポンプ１０５に供給される目標電力値が補正され、その補正後の目標電力値に基づいて、中和剤ポンプ１０５が制御される（ステップＳ９）。

排ガス処理の能力が十分である場合には（ステップＳ８のＮＯ）、その時点における中和剤ポンプ１０５の回転数がそのまま保持される。

その後、図４に示される制御がリターンされる。

図５は、排ガス処理の終了時に実行される制御の流れを示すフローチャートである。

排ガス処理の終了時には、まず、エアコンプレッサ４１の駆動が停止される（ステップＳ１１）。

次に、エアコンプレッサ４１の停止指令の出力から一定時間が経過し、かつ、エアコンプレッサ４１の実回転数が予め定められた閾値未満に低下したか否かが判断される（ステップＳ１２）。

そして、エアコンプレッサ４１の停止指令の出力から一定時間が経過し、かつ、エアコンプレッサ４１の実回転数が予め定められた閾値未満に低下すると（ステップＳ１２）、中和剤ポンプ１０５が停止される（ステップＳ１３）。

＜作用効果＞

以上のように、燃料電池１１のエア流路から排出される気体（排ガス）は、パージ管５２を流通する。パージ管５２と接続管１０６との間には、スクラバ１０３が介装されている。スクラバ１０３には、中和剤供給管１０２が接続されている。中和剤供給管１０２には、中和剤ポンプ１０５が介装されている。中和剤ポンプ１０５の働きにより、燃料電池１１からの排ガスに含まれるアンモニアを中和するための中和剤が中和剤供給管１０２からスクラバ１０３に送り込まれる。スクラバ１０３において、排ガスと中和剤とが混ざり合い、排ガス中のアンモニアが中和剤で中和されることにより、排ガス中からアンモニアが除去される。

エアコンプレッサ４１による燃料電池１１へのエアの供給の開始に先立ち、中和剤ポンプ１０５が始動される。言い換えれば、中和剤ポンプ１０５が始動された後、燃料電池１１へのエアの供給が開始される。これにより、中和剤ポンプ１０５の始動前に、排ガスが中和剤供給管１０２を逆流することを防止できる。その結果、中和剤ポンプ１０５の始動時にエア噛みが発生することを防止でき、中和剤ポンプ１０５を良好に始動させることができる。

また、排ガスがスクラバ１０３を流通し始める前に、スクラバ１０３に中和剤が供給されているので、燃料電池１１からの排ガスの排出の開始時から、排ガス中のアンモニアを良好に除去することができる。その結果、アンモニアを含む排ガスが外部に放出されることを防止できる。よって、マフラー１０９における有害物質の処理を不要またはその処理によるマフラー１０９への負担を小さくすることができ、マフラー１０９の寿命を延ばすことができる。

中和剤ポンプ１０５の始動後であっても、中和剤ポンプ１０５の吐出圧がスクラバ１０３の出入口間の差圧よりも小さいと、スクラバ１０３から中和剤供給管１０２に排ガスが流入するおそれがある。

そこで、エアコンプレッサ４１によって燃料電池１１に供給されるエアの流量に基づいて、スクラバ１０３の出入口間の差圧が取得され、中和剤ポンプ１０５の吐出圧が差圧以上となるように、中和剤ポンプ１０５が制御される。

これにより、中和剤ポンプ１０５の始動後に、スクラバ１０３から中和剤供給管１０２に排ガスが流入することを防止でき、排ガスが中和剤供給管１０２を逆流することを防止できる。また、スクラバ１０３の出入口間の差圧が考慮されずに、中和剤の流量が中和剤供給管１０２における排ガスの逆流の防止に対して十分な余裕を有する流量となるように、中和剤ポンプ１０５が駆動される構成と比較して、中和剤ポンプ１０５の消費電力を低く抑えることができる。

中和剤噴射口１３７は、スクラバ１０３における排ガスの流通方向の下流側を向いている。

これにより、スクラバ１０３を流通する排ガスが中和剤噴射口１３７を介して中和剤噴射管１３６に流入することを防止できる。その結果、排ガスが中和剤供給管１０２を逆流することを防止できる。

スクラバ１０３は、排ガスの流通方向における上流側の端部が下流側の端部よりも上方に位置するように水平方向に対して傾斜、つまり入口１３３が出口１３４よりも高い位置に位置するように、水平方向に対して傾斜している。

このスクラバ１０３の傾斜により、排ガスが中和剤噴射口１３７から中和剤供給管１０２に流入することを一層防止できる。

中和剤噴射口１３７は、スクラバ１０３を排ガスの流通方向に直交する面で切断したときの断面における中央部に配置されている。

スクラバ１０３の中央部は、その周囲と比較して、排ガスの流速が大きい。中和剤噴射口１３７がスクラバ１０３の中央部に配置されているので、中和剤噴射口１３７から噴射される中和剤が流速の大きい排ガスと衝突することによって微細化する。その結果、微細化された中和剤と排ガスに含まれるアンモニアとを良好に接触させることができ、アンモニアを中和剤で良好に中和することができる。よって、アンモニアの除去能力を向上させることができる。

＜変形例＞

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、パージ管３４を流通する気体が気液分離器１０４内に流入し、気液分離器１０４内で、その気体がスクラバ１０３からの中和剤を含む液体と混合される構成を取り上げた。しかしながら、この構成に限らず、パージ管３４を流通する気体とパージ管５２を流通する気体とが合流して、その合流した気体がスクラバ１０３を流通する構成が採用されてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
３０ 燃料循環ポンプ（燃料供給手段）
４１ エアコンプレッサ（エア供給手段）
５２ パージ管（排ガス流路）
１００ 排ガス処理装置
１０２ 中和剤供給管（中和剤供給路）
１０３ スクラバ
１０５ 中和剤ポンプ
１０６ 接続管（排ガス流路）
１４１ ＦＣ−ＥＣＵ（ポンプ制御手段）

Claims (3)

1. 燃料電池と、前記燃料電池に液体燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池にエアを供給するエア供給手段とを含む燃料電池システムに適用され、前記燃料電池からの排ガスを処理する排ガス処理装置であって、
   前記燃料電池からの排ガスが流通する排ガス流路と、
   前記排ガス流路の途中部に介装されたスクラバと、
   前記スクラバに接続され、前記燃料電池からの排ガスに含まれる有害物質を中和するための中和剤が流通する中和剤供給路と、
   前記中和剤供給路の途中部に介装され、中和剤を前記スクラバに向けて送るための中和剤ポンプと、
   前記エア供給手段による前記燃料電池へのエアの供給の開始に先立ち、前記中和剤ポンプを始動させるポンプ制御手段とを含む、燃料電池システムの排ガス処理装置。
2. 前記ポンプ制御手段は、前記エア供給手段によって前記燃料電池に供給されるエアの流量に基づいて、前記スクラバの出入口間の差圧を取得し、前記中和剤ポンプの吐出圧が前記差圧以上となるように、前記中和剤ポンプを制御する、請求項１に記載の燃料電池システムの排ガス処理装置。
3. 前記スクラバは、排ガスの流通方向における上流側の端部が下流側の端部よりも上方に位置するように水平方向に対して傾斜している、請求項１または２に記載の燃料電池システムの排ガス処理装置。

Images