JP4354756B2 - 酸素除去システム及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素ガス中に含有される酸素を除去する酸素除去システム及び該酸素除去システムから送出される水素ガスを用いて発電を行う燃料電池システムに関する。特に、酸素と水素とを反応させて水分とし、該水分を水素ガスから除去する除湿装置を備えた酸素除去システム及び該酸素除去システムを備える燃料電池システムに関する。

例えば次亜塩素酸ナトリウムを得るための食塩水電解装置では、副生物として水素が発生する。従来、この副生水素は排風器で空気希釈した後、大気中に放出されていた。しかし、水素は貴重なエネルギー源であり、更に、大気中に放出するのは環境保全の観点からも好ましいことではない。そこで、この副生水素を有効利用する試みがなされている。

水素をエネルギー源として有効利用する方法の代表として、水素型燃料電池の燃料として利用する方法がある。しかし、副生水素を燃料電池の燃料として供給するには、燃料電池スタックの劣化を防止するために、副生水素中に含有される不純物である酸素及び塩素を除去する必要がある。そこで、図４に示すような酸素除去システムが用いられている。水酸化ナトリウム溶液を用いた塩素ガススクラバー１１１により水素ガス１０１中の塩素は除去される。一方、酸素は、水素ブロア１１０で加圧し自己熱交換器１０８あるいは予熱器１０９で加温した後に、燃焼除去装置１０７において、Ｐｔを代表とする燃焼触媒１０７ｂを用い、酸素を水素と反応させて水蒸気とする燃焼反応により除去される。

酸素除去装置１０７において水素の燃焼反応により生成された水蒸気は、冷却器１０６により常温に冷却され凝縮した後に、気液分離タンク１０５で分離されるが、気液分離タンク１０５を出た後の水素ガスは、常温で水蒸気飽和状態にある。一方、構成部品の仕様から、燃料電池１１６の燃料としての水素１０２ａは、結露しない乾燥状態であることが要求される。そこで、水素を除湿するため、設備的に容易な、除湿材１０３ｂを用いた吸着法を用いる除湿装置１０３ａが備えられている。しかし、除湿材１０３ｂには吸湿する限度（吸着限度）があり、一定量の吸湿を行った後には吸湿材１０３ｂの再生をしなければならない。この吸湿材１０３ｂの再生は、吸湿材１０３ｂにガス加熱器１０４で加熱した水素を流して行っている。また、除湿材１０３ｂの再生に用いた水素は水分を多く含むので燃料電池１１６の燃料としても使えず、希釈排風ファン１１２で空気と混合希釈して、大気中に放出している。（例えば、特願２００２−１５７３７参照。）

ところが、上記の方法では、除湿材を再生するために水素を加熱するガス加熱器が必要になり、かつ、ガス加熱器を運転するためにシステム全体の所要動力が増加する。そこで、本発明は、ガス加熱器を用いることなく、除湿材を再生し、システム全体としての所要動力を低減した水素ガスの酸素除去システムを提供し、併せて、該酸素除去システムから送出される水素ガスを用いて発電を行う燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る酸素除去システム５０は、例えば図１に示すように、水素ガス１中に含有される酸素を、水素と反応させて水分とする酸素除去装置７と、酸素除去装置７から送出されたガス１ａを冷却する冷却器６と、ガス１ｂ中の水分を吸着する２以上の除湿装置３ａ、３ｃと、酸素除去装置７から送出されたガス１ａを、冷却器６を経て除湿装置３ａ、３ｃに搬送する第１の配管路２５、２６、２６ａ、２６ｂと、酸素除去装置７から送出されたガス１ｃを、除湿装置３ａ、３ｃに搬送する、第１の配管路２５、２６、２６ａ、２６ｂとは異なる第２の配管路２８、２８ａ、２８ｂとを備える。

このように構成すると、酸素除去装置から送出された高温のガスを、第１の配管路に流すことにより、酸素が除去され且つ乾燥した水素ガスとして外部に供給することができ、また、第２の配管路に流すことにより、高温を保ったままの水素ガスで除湿装置の吸湿材を再生することができる。よって、除湿材再生用のガス加熱器を必要とせず、ガス加熱器で加熱するための動力も必要ないので、システム全体の所要動力も軽減される。

また、請求項２に記載の発明に係る酸素除去システム５０では、例えば図１に示すように、除湿装置３ａ、３ｃ毎に、第１の配管路２５、２６、２６ａ、２６ｂと第２の配管路２８、２８ａ、２８ｂとの選択が可能である。

このように構成すると、一の除湿装置で除湿をし、酸素が除去され且つ乾燥した水素を生成しながら、別の除湿装置で除湿材を再生することができるので、酸素が除去され且つ乾燥した水素の送出を連続的に行うことができる。

また、請求項３に記載の発明に係る酸素除去システムでは、例えば図２に示すように、前記配管路の選択が、所定の時間毎に行われる。

このように構成すると、除湿装置では、一定時間除湿を行った後に、一定時間の再生が行われるので、除湿材の吸湿能力を適度に保つことができる。

更に、請求項４に記載の発明に係る酸素除去システム５０では、例えば図１に示すように、除湿装置３ａ、３ｃから送出されたガス２ｂを、酸素除去装置７に搬送する配管路２９ａ、２９ｂ、２９を備える。

このように構成すると、除湿材の再生に用いた水分を含有する水素ガスを大気中に放出することがなく、再度、酸素除去装置に供給できるので、水素ガスを有効に利用することができると共に、環境上も好ましい。

また、請求項５に記載の発明に係る酸素除去システム５０では、例えば図１に示すように、更に、水素ガス１中に含有される塩素を除去する塩素ガススクラバー１１を備える。

このように構成すると、水素ガス中に含有される酸素の他に、塩素ガスも除去されるので、水素ガスが当初塩素ガスを含有しているとしても、例えば燃料電池スタックに悪影響を与えるような不純物としての酸素及び塩素を含まない水素ガスが生成される。

また、前記の目的を達成するため、請求項６に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の酸素除去システム５０と、酸素除去システムから送出される水素ガス２ａを用いて発電を行う燃料電池１６とを備える。

このように構成すると、燃料電池スタックに悪影響を与える酸素が除去され且つ乾燥した水素ガスが燃料電池に供給されるので、燃料電池スタックが痛みにくい燃料電池システムとなる。

本発明に係る酸素除去システムでは、２以上の除湿装置と、酸素除去装置から送出されたガスを、冷却器を経て除湿装置に搬送する第１の配管路と、酸素除去装置から送出されたガスを除湿装置に搬送する、第１の配管路とは異なる第２の配管路とを備えているので、酸素除去装置から送出される高温の水素ガスを、第１の配管路に流すことにより、酸素が除去され且つ乾燥した水素ガスとして外部に供給することができ、また、第２の配管路に流すことにより、高温を保ったままの水素ガスで除湿装置の吸湿材を再生することができる。したがって、除湿材再生用のガス加熱器を必要とせず、また、ガス加熱器で加熱するための動力も必要ないので、システム全体の所要動力も軽減される酸素除去システムが提供される。更に、該酸素除去システムを備える燃料電池システムでは、燃料電池スタックに悪影響を与える酸素が除去された水素ガスが燃料電池に供給されるので、燃料電池スタックが痛みにくい燃料電池システムとなる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一または相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

先ず、図１の構成図を参照して、燃料電池へ水素ガスを供給するために用いられる水素ガスの酸素除去システム５０について説明する。図中、配管上に記された矢印は、配管の流れ方向を表す。酸素除去システム５０は、不図示の電解装置から、酸素を含んだ水素ガス１の供給を受ける。水素ガス１には、塩素が含まれていることもある。塩素ガススクラバー１１は、詳細は図示しないが、塔の中にラヒシリングなどの適当な充填材を充填し、除去すべき塩素ガスの濃度に応じた濃度に調整された水酸化ナトリウム溶液等のアルカリ性溶液を塔の上部に設置されたノズル（不図示）から散布し、塔内の水素ガス１と反応させ、水素ガス１の塩素を除去する塔である。水素ブロア１０は、水素ガス１を加圧して送り出すブロアである。

自己熱交換器８は、その低温側に酸素除去装置７に供給される常温の水素ガス１を、高温側に酸素除去装置７から送出される高温の水素ガス１ａを流し、これらの水素ガス１、１ａの間で熱交換を行う装置である。高温の水素ガス１ａは、自己熱交換器８で熱を供給することにより温度が下がり、常温に近い温度の水素ガス１ｄとなる。予熱器９は、ヒーター９ａにより水素ガス１を加温する装置である。ヒーターではなく、高温水あるいは高温スチーム等の高温媒体と熱交換させて水素を加温する構成としてもよい。

酸素除去装置７は、内部に触媒７ｂを有する容器である。触媒７ｂは、プラチナＰｔを代表とする貴金属微粒子を、粒状のアルミナあるいは金属ハニカムに担持させたもので、一定温度（常温〜１００℃程度）以上の酸素を含む水素を、燃焼反応させ水分とする働きを持つ。酸素除去装置７で燃焼反応することにより、酸素を含んだ水素ガス１は、水蒸気を含んだ高温の水素ガス１ａに変化する。

冷却器６は、酸素除去装置７から送出される高温の水素ガス１ａを、冷却水等の冷媒で、あるいは、大気により冷却する。冷却されることにより水素ガス１ａ中に含まれていた水分は、凝縮して霧状となる。気液分離タンク５は、水素ガス１ａ中の霧状の水分を凝集して水素ガス１ａから分離し、水分を貯める装置で、例えば、水分を含む水素ガス１ａを金網のようなブランケットを通過させることにより、水分をブランケット上に凝集する構造を有している。冷却器６及び気液分離タンク５により、水蒸気を含んだ高温の水素ガス１ａは、常温で水蒸気飽和状態にある水素ガス１ｂとなる。

除湿装置３ａ、３ｃは、除湿材３ｂ、３ｄを内包する塔で、除湿装置３ａ、３ｃに送られた水素ガス１ｂは、除湿材３ｂ、３ｄ中を通過し、その際に水素ガス１ｂ中に含まれる水分が除湿材３ｂ、３ｄに捕捉される。除湿材３ｂ、３ｄとしては、高圧を必要とせず、設備的に容易な構造で対応できるシリカゲル、酸化ケイ素−アルミナ複合体などが用いられる。これらの除湿材には、吸湿する限度（吸着限度）があり、一定量の吸湿を行った後には、吸湿材の再生をしなければならない。この吸湿材の再生は、吸湿材を加熱乾燥することにより行うが、特別な装置を必要とせず、除湿装置の中で再生することができるので、除湿装置７に加熱されたガスを流して行う。除湿装置３ａ、３ｃにより水分を吸着されることで、常温で水蒸気飽和状態にある水素ガス１ｂは、常温で乾燥した水素ガス２ａとなる。また、除湿装置３ａ、３ｃの吸湿材３ｂ、３ｄを再生することで、水蒸気を含んだ高温の水素ガス１ａは、更に水蒸気を含んだ高温の水素ガス２ｂとなる。

燃料電池１６は水素型燃料電池であり、常温で乾燥した水素ガス２ａを燃料とする。燃料電池１６については、後で別に説明する。冷却器１９は、水蒸気を含んだ高温の水素ガス２ｂを冷却し、水素ガス２ｂ中の水分を凝縮する。気液分離タンク２０は、水素ガス２ｂ中の凝縮した水分を凝集して分離する装置である。冷却器１９と気液分離タンク２０の構造は、前記の冷却器６と気液分離タンク５と同様である。水蒸気を含んだ高温の水素ガス２ｂは、冷却器１９と気液分離タンク２０により、常温で水蒸気飽和状態にある水素ガス２ｃとなる。

次に、上記の機器を接続する配管について説明する。不図示の電解装置にて発生する、酸素を含有する水素ガス１を受け入れる受入れ配管２１は、塩素ガススクラバー１１の下部に接続されている。塩素ガススクラバー１１の塔頂に接続された配管２２は、水素ブロア１０の吸入側に接続され、水素ブロア１０の吐出側に接続された配管２３は自己熱交換器８の低温側入口に接続される。自己熱交換器８の低温側出口に接続された配管２４は、予熱器９を経て、酸素除去装置７の入口に接続される。

酸素除去装置７の出口に接続された配管２５には、分岐３１、分岐３２及び分岐３３が備えられている。分岐３１は、自己熱交換器８に高温水素ガス１ａを供給する配管３０を枝分かれし、分岐３２は、自己熱交換器８で熱を供給した後の水素ガス１ｄの戻り配管３０を枝分かれしている。分岐３１から分かれた配管３０は、流量調整弁１３を有し、その先で自己熱交換器８の高温側を経て、分岐３２にて配管２５に接続される。分岐３３では、除湿装置３ａ、３ｃへ至る前に冷却器６及び気液分離タンク５を経由する第１の配管路としての配管２５と、冷却器６を経ないで直接、除湿装置３ａ、３ｃへ至る第２の配管路としての配管２８とに分かれる。配管２５は、これらの分岐を経た先で、冷却器６を経て気液分離タンク５に接続する。

気液分離タンク５の出口に接続された配管２６は、分岐３４ａで２本の配管２６ａ、２６ｂに分離し、それぞれ切替弁１８ｇ、１８ｈを経て、除湿装置３ａ、３ｃに接続される。また、配管２５上の分岐３３から分かれた配管２８は、流量調整弁１７を有し、その先で２本の配管２８ａ、２８ｂに分離する。２本の配管２８ａ、２８ｂは、それぞれ切替弁１８ｅ、１８ｆを経て、切替弁１８ｇ、１８ｈと除湿装置３ａ、３ｃとの間で配管２６ａ、２６ｂに接続される。

除湿装置３ａ、３ｃの登頂に接続された配管２７ａ、２７ｂは、分岐３５ａ、３５ｂにより、燃料電池１６と接続される配管２７ａ、２７ｂ（２７）と水素ブロア１０に戻る配管２９ａ、２９ｂ（２９）とに分かれる。分岐３５ａ、３５ｂから燃料電池１６に接続される配管２７ａ、２７ｂは、切替弁１８ｃ、１８ｄを有し、その先で、１本の配管２７にまとめられて、燃料電池１６に接続される。

分岐３５ａ、３５ｂから水素ブロア１０に戻る配管２９ａ、２９ｂは、切替弁１８ａ、１８ｂを有し、その先で１本の配管２９にまとめられ、冷却器１９、気液分離タンク２０を経て、水素ブロア１０の上流側の配管２２に接続される。

続いて、図１を参照して、酸素除去システム５０の運転について説明する。不図示の電解装置にて発生する水素ガス１は、不純物である酸素や塩素を含有している。電解装置からの水素ガス１は、受け入れ配管２１を通って塩素ガススクラバー１１に送られる。塩素ガススクラバー１１では、水素ガス１は塔の下方から上方に流れる。塔内を上昇する水素ガス１が水酸化ナトリウム溶液の滴と接触することにより、水素ガス１中に含まれている塩素は、水酸化ナトリウム溶液と反応して塩化ナトリウムとなり、水素ガス１から取り除かれる。塩素を取り除かれた水素ガス１は、塔頂より配管２２に送出される。

塩素ガススクラバー１１で塩素を取り除かれた水素ガス１は、配管２２を通って、水素ブロア１０に導かれ、水素ブロア１０により圧力を高められる。水素ブロア１０から吐出された水素ガス１は、自己熱交換器８に送られる。自己熱交換器８で、該水素ブロア１０から吐出された水素ガス１は、酸素除去装置７を通過した後の高温の水素ガス１ａとの熱交換により、加温される。

自己熱交換器８で加温された水素ガス１は予熱器９に送られる。予熱器９は酸素除去装置７に供給される水素ガス１を加温する装置であるが、通常運転においては、水素ガス１が前述の自己熱交換器８にて所定の温度まで加温されているので、予熱器９で加温する必要はない。予熱器９での加温が必要となるのは、酸素除去装置７において反応が行われていない状態の運転開始時である。すなわち、運転開始時には、酸素除去装置７から送出される高温の水素ガス１ａがないので、自己熱交換器８で水素ガス１を加温することができない。酸素除去装置７へ供給される水素ガス１が所定の温度に達していないと、触媒７ｂによる燃焼反応が引き起こされない。そこで、酸素除去装置７に供給される水素が所定の温度以上となるように、予熱器９で加温する。ここで、所定の温度とは、触媒７ｂの種類によっても異なるが、常温から１００℃程度の温度である。

予熱器９からの加温された水素ガス１は、酸素除去装置７へ送られる。ここで、触媒７ｂの働きにより、水素は水素中の酸素と燃焼反応を起こす。この燃焼反応により、水素中の酸素が、水素と反応して水分に変わる。この燃焼反応は発熱反応であり、水素ガス１の温度は上がる。濃度１％の酸素あたり８０〜１２０℃の温度が上がる。例えば、次亜塩素酸ナトリウム電解生成装置で生成された副生水素には、２％程度の酸素が含まれるので、１００℃に予熱された水素ガス１は約３００℃となる。このように高温になるので、水分は水素中で水蒸気として混在する。すなわち、酸素除去装置７で、酸素を含んだ水素ガス１は、水蒸気を含んだ高温の水素ガス１ａに変化する。

酸素除去装置７から送出された水素ガス１ａは、配管２５上の分岐３１において、自己熱交換器８の高温側へ送られる量が分けられて配管３０へ送られる。配管３０へ送られる量は、流量調整弁１３により、調整される。水素ガス１の酸素除去装置７への入口温度を検出し、適切な温度となるように流量調整弁１３は操作される。そのために、流量調整弁１３は電動弁を用い、自動調節されることが好ましい。自己熱交換器８に送られた高温の水素ガス１ａは、そこで酸素除去装置７へ送られる温度の低い（常温の）水素ガス１と熱交換される。すなわち、酸素除去装置７における燃焼反応の発熱による熱エネルギは、酸素除去装置７へ送られる水素に伝達され、有効に利用される。自己熱交換器８を出た水素ガス１ｄは、熱交換により温度が下がっており、分岐３２で、酸素除去装置７からの水素ガス１ａに混合される。この混合された水素ガス１ａは、配管２５を通り、分岐３３を経て、冷却器６へ送られる。なお、分岐３３で分かれる水素ガス１ａについては、後述する。

冷却器６で、水素ガス１ａは冷却され、ほぼ常温となる。冷却水等の冷媒と熱交換してもよいし、大気との間で熱交換して冷却してもよい。水素ガス１ａが冷却されることにより、水蒸気は凝縮して、水素ガス１ａ中で霧状となる。霧状となった水分を含む水素ガス１ａは、気液分離タンク５に送られる。気液分離タンク５において、霧状の水分はブランケット（不図示）に凝集し、水分は気液分離タンク５の底部に集められる。しかし、冷却器６で凝縮した水分を除去された水素ガス１ｂは、冷却された温度、すなわちほぼ常温において水蒸気飽和状態にある。

そこで、除湿装置３ａ、３ｃにより、水素ガス１ｂから水蒸気を除去し乾燥させる。気液分離タンク５から送出された水素ガス１ｂは、２本の除湿装置３ａ、３ｃの内の１本に搬送される。すなわち２本の除湿装置３ａ、３ｃの内のいずれか１本の吸湿を行う除湿装置に搬送される。そのため、水素ガス１ｂは、分岐３４ａにおいて、吸湿を行う除湿装置３ａ、３ｃに接続される配管２６ａ、２６ｂのいずれかにだけ流れ、他の配管２６ａ、２６ｂには流れない。この切り替えは、２台の切替弁１８ｇ、１８ｈのいずれを開とし、いずれを閉とするかにより行われる。

除湿装置３ａ、３ｃに送られた水素ガス１ｂは、そこで除湿材３ｂ、３ｄに吸湿され、乾燥した水素ガス２ａとなる。乾燥した水素ガス２ａは、除湿装置３ａ、３ｃから送出されると、分岐３５ａ、３５ｂを経て、燃料電池１６に供給される。分岐３５ａ、３５ｂでの水素ガス２ａの流れ方向は、切替弁１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの操作により行われる。例えば、除湿装置３ａで除湿するときには、切替弁１８ａを閉、切替弁１８ｃを開として除湿塔３ａから送出される水素ガス２ａを配管２７ａ、２７を通って、燃料電池１６へ供給する。

次に、除湿材３ｂ、３ｄを再生するための運転を説明する。除湿装置３ａ、３ｃでは、水素ガス１ｂの除湿を行うと、除湿材３ｂ、３ｄの吸湿量に対応して性能が低下する。そこで、吸湿した水分を除湿材３ｂ、３ｄから取り出す工程である、吸湿材の再生を定期的に行う。そのために、酸素除去装置７を出た高温の水素ガス１ａを冷却せずに除湿装置３ａ、３ｃに導き、高温の水素ガス１ａを流すことにより除湿材３ｂ、３ｄ中の水分を蒸発させる。そこで、酸素除去装置７から送出された水素ガス１ａを分岐３３にて、除湿材再生用水素ガス１ｃとして分け、配管２８に導く。この水素ガス１ａから除湿材再生用水素ガス１ｃを分けて取り出す量は、流量調整弁１７により調整される。この流量調整弁１７は、流量を一定に制御できる定流量弁であることが好ましい。なお、除湿材再生用水素ガス１ｃは、冷却される水素ガス１ａよりも量的に少ない。

配管２８の水素ガス１ｃは、２本の除湿装置３ａ、３ｃの内の１本に搬送される。すなわち２本の除湿装置３ａ、３ｃの内のいずれか１本の除湿材の再生を行う除湿装置３ａ、３ｃだけに搬送される。そのため、水素ガス１ｃは、分岐３４ｂにおいて、除湿材の再生を行う除湿装置３ａ、３ｃに接続される配管２８ａ、２８ｂのいずれかだけに流れ、他の配管２８ａ、２８ｂには流れない。この切り替えは、切替弁１８ｅ、１８ｆのいずれを開とし、いずれを閉とするかにより行われる。

除湿塔３ａ、３ｃに送られた水素ガス１ｃは、除湿材３ｂ、３ｄ中の水分を蒸発させ、その水分を随伴する。よって、除湿材３ｂ、３ｄは乾燥して、再生される。除湿装置３ａ、３ｃを再生するのに用いられた水素ガス２ｂは、水分を含むので、燃料電池１６へ供給されることはなく、分岐３５ａ、３５ｂから配管２９ａ、２９ｂ、２９を通って水素ブロア１０の上流の配管２２で水素ガス１に混合される。分岐３５ａ、３５ｂでの水素ガス２ｂの流れ方向は、切替弁１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの操作により行われる。例えば、除湿装置３ａで除湿材の再生を行うときには、切替弁１８ａを開、切替弁１８ｃを閉として除湿装置３ａから送出される水素ガス２ｂを配管２９ａ、２９へ搬送する。除湿材３ｂ、３ｄの再生は、定期的に行われるので、切替弁１８ａ〜ｈの切り替えは、タイマーにより動作する電磁弁とすることが好ましい。

除湿装置３ａ、３ｃを送出された水素ガス２ｂは、高温を保持し、且つ、酸素除去装置７で生成した水分に加え除湿材３ｂ、３ｄから随伴した水分を多量に含む。そこで、冷却器１９で冷却することにより、水素ガス２ｂ中の水分を凝縮し、気液分離タンク２０で凝縮した水分を凝集し、その水分を気液分離タンク２０に貯える。冷却器１９及び気液分離タンク２０を送出された水素ガス２ｃは、ほぼ常温に冷却され、水蒸気飽和状態であるものの、余剰な水分は気液分離タンク２０で除去されている。余剰な水分を除去された水素ガス２ｃは、配管２９を通って、水素ブロア１０の上流の水素ガス１と混合されてて、再度、水素ブロア１０で加圧され、酸素除去装置７に搬送される。

再生したばかりの除湿材３ｂ、３ｄは高温となっているので、再生した直後に水素ガス１ｂを除湿のために流しても、水素ガス１ｂが加熱され、水素ガス１ｂの除湿がよく行われない。そこで、再生した後に、除湿材再生用水素ガス１ｃの供給をとめ、冷却器６で冷却し、凝縮した水分を気液分離タンクで取り去った水素ガス１ｂを流して、温度を下げる。除湿材３ｂ、３ｄの温度が高い間に除湿装置３ａ、３ｃから送出された水素ガス２ｄは、水分を含んでおり燃料電池１６に供給すると燃料電池スタックに悪影響を及ぼす可能性があるので、燃料電池１６には供給せず、再生中の水素ガス２ｂと同様に冷却器１９、気液分離タンク２０を経て、水素ブロア１０の上流の水素ガス１と混合される。

上述のように、本酸素除去システム５０においては、酸素除去装置７から送出された高温の水素ガス１ａを冷却することなく、除湿材３ｂ、３ｄの再生に用い、再生に用いた水素ガス２ｂは、酸素除去装置７に搬送され再利用される。よって、除湿材３ｂ、３ｄを再生するために外部からの動力により加熱をする必要がなく、ガス加熱器も必要ない。また、除湿材３ｂ、３ｄの再生をした後の水素ガス２ｂは、再利用されるので、水素ガス１を有効に利用できる上に、水素ガス２ｂ、２ｃを大気に放出しないので、環境上も好ましい。

また、２本の除湿装置３ａ、３ｃを備え、切替弁を操作することで配管路を変更することにより除湿装置３ａ、３ｂ毎に除湿と再生の運転を選択することができる。１本の除湿装置３ａ、３ｃで水素ガス１ａを除湿して水素型燃料電池１６へ供給し、他の１本の除湿装置３ａ、３ｃで除湿材３ｂ、３ｄの再生を行うので、除湿材３ｂ、３ｄを再生するために水素ガス２ａの供給を停止することがなく、連続的に水素ガス２ａを供給することができる。また、除湿と再生とを定期的に行うことにより、除湿材３ｂ、３ｄの吸湿能力を適度に保つことができ、水素ガス２ａ中の湿度を適切に維持することができる。

ここで、図２のモード図を参照して、切替弁１８ａ〜ｈの開閉と除湿装置３ａ、３ｃの運転（除湿と再生）の関係を説明する。図２は、横軸に除湿装置３ａ、３ｃの除湿と再生の１サイクルの時間（Ｔ０〜Ｔ４）をとり、切替弁１８ａ〜ｈの開閉状態を個別に表示している。時間Ｔ２は、除湿装置３ａと除湿装置３ｃとの間で、除湿と再生の運転モードを入れ替える時間である。また、Ｔ１とＴ３は、再生中の除湿装置３ａ、３ｃにおいて、高温の水素ガス１ｃの供給による除湿材３ｂ、３ｄの乾燥運転から低温の水素ガス１ｂの供給による除湿材３ｂ、３ｄの冷却運転に変わる時間である。図２では、初めに除湿装置３ａで水素ガス１ｂを除湿し、その間除湿装置３ｃを再生し、その後に除湿装置３ｃで水素ガス１ｂを除湿し、その間除湿装置３ａを再生する運転を示している。

先ず、冷却した水素ガス１ｂを除湿装置３ａで除湿するために、切替弁１８ｅを閉とし切替弁１８ｇを開として水素ガス１ｂを除湿装置３ａに導く。除湿装置３ａから送出された水素ガス２ａは、切替弁１８ａを閉とし切替弁１８ｃを開とすることにより、燃料電池１６へ供給される。一方、除湿装置３ｃでは、高温の水素ガス１ｃで除湿材３ｄを加熱再生するために、切替弁１８ｈを閉とし切替弁１８ｆを開として高温の水素ガス１ｃを除湿装置３ｃに導く。除湿装置３ｃを出た水素ガス２ｂは、切替弁１８ｄを閉とし切替弁１８ｂを開とすることにより、燃料電池１６には送られず、配管２９ｂ、２９から酸素除去装置７へ流れ再利用される。続いて、除湿装置３ｃでは、入口側の切替弁１８ｆ、１８ｈの開閉を切り替え、切替弁１８ｈを開とし切替弁１８ｆを閉とすることにより、冷却された水素ガス１ｂを導く。出口側の切替弁１８ｂ、１８ｄの開閉は変更せず、除湿装置３ｃから出た水素ガス２ｄは、配管２９ｂ、２９から酸素除去装置７へ流れ再利用される。なお、切替弁１８ｅと切替弁１８ｆとが共に閉とされるときは、酸素除去器７からの水素ガス１ａは、全て冷却器６、気液分離タンク５を経由して、２本の除湿装置３ａ、３ｃに搬送される。

次に、除湿装置３ａでは、高温の水素ガス１ｃで除湿材３ｂを加熱再生するために、切替弁１８ｅを開とし切替弁１８ｇを閉として水素ガス１ｃを除湿装置３ａに導く。除湿装置３ａから送出された水素ガス２ｂは、切替弁１８ａを開とし切替弁１８ｃを閉とすることにより、燃料電池１６には送られず、配管２９ａ、２９から酸素除去装置７へ流れ再利用される。続いて、除湿装置３ａでは、入口側の切替弁１８ｅ、１８ｇの開閉を切り替え、切替弁１８ｇを開とし切替弁１８ｅを閉とすることにより、冷却された水素ガス１ａを導く。出口側の切替弁１８ａ、１８ｃの開閉は変更せず、除湿装置３ａから出た水素ガス２ｄは、配管２９ａ、２９から酸素除去装置７へ流れ再利用される。一方、冷却した水素ガス１ｂを除湿装置３ｃで除湿するために、切替弁１８ｈを開とし切替弁１８ｆを閉とすることにより水素ガス１ｂを除湿装置３ｃに導く。除湿装置３ｃから送出された水素ガス２ａは、切替弁１８ｄを開とし切替弁１８ｂを閉とすることにより、燃料電池１６へ供給される。

以上の説明では、除湿装置３ａ、３ｃが２本の場合について説明したが、２本には限られず、２本以上であればよい。その場合には、配管２６が除湿装置の本数に対応して分岐により分かれ、それぞれに切替弁が備えられる。また、それぞれの除湿装置からの出口配管は、燃料電池１６へ接続する配管２７と配管２２へ接続する配管２９を有する。また、複数の除湿装置は、同じ形式、同じ大きさとするのが一般的であるが、それぞれに異なっていてもよい。

続いて、図３の構成図を参照して、上述の酸素除去システム５０から水素ガス２ａを供給される燃料電池１６について説明する。燃料電池１６は、固体高分子型燃料電池本体６０（以下、燃料電池本体６０）と、酸素除去システム５０と燃料電池本体６０とを接続する配管６１と、空気供給装置であるエアブロア６３と、エアブロア６３と燃料電池本体６０を接続する配管６４と、燃料電池本体６０からの排気を導出する配管６７、６９と、燃料電池本体６０で発電された電力を外部負荷に供給するケーブル７２、７４とを備えている。

燃料電池本体６０は、その内部に不図示の燃料電池スタックを有し、燃料ガスとしての水素ガス２ａをアノード極に導入するアノード導入口６２と、酸化剤としての空気をカソード極に導入するカソード導入口６５と、アノード極からアノードオフガスを排気するアノード排気口６６とカソード極からカソードオフガスを排気するカソード排気口６８とを備える。更に、発電した電力を外部負荷（不図示）に出力する、アノード出力端７１とカソード出力端７３とを備える。

水素除去システム５０からの水素ガス２ａは、燃料電池本体６０のアノード極（不図示）に導入される。カソード極（不図示）には、エアブロア６３から配管６４を通って空気が導入される。燃料電池本体６０内では、水素ガス２ａと空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われる。電気化学反応を終えたアノード極のガスはアノード排気口６６から配管６７を通って、カソード極のガスはカソード排気口６８から配管６９を通って系外へ排出される。発電された電力は、アノード出力端７１とカソード出力端７３からケーブル７２、７４を通って、外部負荷（不図示）に出力される。

前述の水素除去システム５０と燃料電池１６とを備える燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素ガス２ａから酸素が除去されているので、燃料電池本体６０の燃料電池スタックが酸素により悪影響を受けることがない。よって、燃料電池本体６０が痛みにくく、長期間の使用をすることができる。

本発明の実施の形態である酸素除去システムを説明する構成図である。 切替弁の運転モードを説明するモード図である。 燃料電池を説明する構成図である。 従来の酸素除去システムを説明する構成図である。

符号の説明

１ 酸素を含有する副生水素ガス
１ａ 燃焼反応による水分を含有する高温の水素ガス
１ｂ 燃焼反応後に冷却した水素ガス
１ｃ 除湿材再生用水素ガス（燃焼反応させて、冷却しない水素ガス）
１ｄ 自己熱交換器で酸素除去装置の入口の水素ガスと熱交換した後の水素ガス
２ａ 除湿装置で除湿された水素ガス
２ｂ 除湿装置の再生に用いられた水素ガス
２ｃ 除湿装置の再生に用いられた後に冷却された水素ガス
２ｄ 除湿材の冷却に用いられた水素ガス
３ａ、３ｃ 除湿装置
３ｂ、３ｄ 除湿材
５、２０ 気液分離タンク
６、１９ 冷却器
７ 酸素除去装置
８ 自己熱交換器
１０ 水素ブロア
１１ 塩素ガススクラバー
１６ 燃料電池
１８ａ〜ｈ 切替弁
５０ 酸素除去システム
６０ 燃料電池本体

Claims (6)

1. 水素ガス中に含有される酸素を、水素と反応させて水分とする酸素除去装置と；
   前記酸素除去装置から送出されたガスを冷却する冷却器と；
   前記ガス中の水分を吸着する２以上の除湿装置と；
   前記酸素除去装置から送出された前記ガスを、前記冷却器を経て前記除湿装置に搬送する第１の配管路と；
   前記酸素除去装置から送出された前記ガスを、前記除湿装置に搬送する、前記第１の配管路とは異なる第２の配管路とを備える；
   酸素除去システム。
2. 前記除湿装置毎に、前記第１の配管路と前記第２の配管路との選択が可能である；
   請求項１に記載の酸素除去システム。
3. 前記配管路の選択が、所定の時間毎に行われる；
   請求項２に記載の酸素除去システム。
4. 前記除湿装置から送出されたガスを、前記酸素除去装置に搬送する配管路を備える；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の酸素除去システム。
5. 前記水素ガス中に含有される塩素を除去する塩素ガススクラバーを備える；
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の酸素除去システム。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の酸素除去システムと；
   前記酸素除去システムから送出される水素ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える；
   燃料電池システム。
   

Images