JP5144899B2 - 閉鎖式燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料と酸化剤とを供給してこれらの反応によって発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池の排ガスをシステム内で処理する閉鎖式燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、水素などの燃料をアノード側に供給し、酸化剤をカソード側に供給して、これらの反応によって発電するものであり、多数のセルを積層した燃料電池スタックによって構築している。現在、開発されている燃料電池の多くは、水素を燃料とし、大気中の酸素を酸化剤として用いている。この燃料電池では、水素の継続的な供給によって燃料電池内での不純ガスの濃縮や発電反応によって生成される水分が滞留して発電効率が低下する。これを防ぐため、燃料電池の発電に必要な量以上のガスを間欠的に送り込んで内部ガスの置換を行っている（通常パージと称されている）。パージによって置換されたガスは大気などの外界へ放出されるのが一般的である。しかし、燃料として用いられる水素は可燃性ガスであり、そのまま放出するのは安全性の点で問題があるため、一旦燃焼させることでシステム外にできるだけ水素を排出しない方法が提案されている（例えば特許文献１）。特許文献１のシステムでは、アノードからの水素オフガスとカソードからの酸素オフガスや空気などを触媒に導いて水素を酸化燃焼させることで水素を希釈して安全性を高める方法が採用されている。
特開２００５−１０８８０５号公報

上記システムでは、水素を希釈した後、外界に放出することで安全性を高めており、システム外には、放出量は少なくなるものの依然として水素、酸素が放出される。十分に希釈された水素や酸素を大気に放出することは安全性の点で大きな問題とはならない。しかしながら、このような燃料電池を大気と遮断された閉空間、たとえば、宇宙、海中などで運転する場合、以下の問題点がある。
（１−１）大気中の酸素を利用することが困難である。
（１−２）パージによる排ガスは、水素と酸素であるため、設置空間内に放出することは安全上難しい。特に、設置空間が、居住空間となっている場合はなおさらである。

従来、これらの問題に対して、
（２−１）液体水素、液体酸素などの独立したガス貯蔵源を具備し、燃料電池へ供給する。
（２−２）
ａ．排ガスを圧縮して貯蔵するための装置を具備する。
ｂ．または吸着剤に吸着させて貯蔵するための装置を具備する。
といった方法が実施されている。このように、大気に依存せず運転可能な燃料電池システムを閉鎖式燃料電池システムと呼ぶ。

しかしながら、上記（２−２）ａ．に示される圧縮貯蔵方式は、以下の問題点がある。
（ａ−Ａ）圧縮させるための、エネルギーが必要であり、燃料電池システムの効率を低下させる。
（ａ−Ｂ）気体として貯蔵するため、大きな貯蔵スペースが必要である。
（ａ−Ｃ）排ガス成分のほとんどが水素と酸素であるため、危険性の問題から、混合ガスで貯蔵することができず、独立した貯蔵装置が必要になる。

また、（２−２）ｂ．における吸着剤貯蔵方式は以下の問題点がある。
（ｂ−Ａ）圧縮貯蔵ほどではないが、吸着させるためにエネルギーが必要であり、燃料電池システムの効率を低下させる。
（ｂ−Ｂ）吸着量に限界があるため、長期運転を行うためには、大量の吸着材が必要である。
（ｂ−Ｃ）排ガス成分のほとんどが水素と酸素であるため、危険性の問題から、混合ガスで貯蔵することができず、独立した貯蔵装置が必要になる。
（ｂ−Ｄ）吸着剤を交換する必要がある。
総じていえば、圧縮貯蔵の問題点を軽減したものが、吸着貯蔵であるが、実用的な観点から見れば、その対策は不十分である。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、吸着貯蔵方式持つ問題点の大幅な改善を行った閉鎖式燃料電池システムを提供することを目的とするものである。

本発明の閉鎖式燃料電池システムのうち、請求項１記載の発明は、燃料と酸化剤とを供給してこれらの反応によって発電を行う燃料電池のアノード排出側にアノードガス排出路が接続され、前記燃料電池のカソード排出側にカソードガス排出路が接続され、各排出路が閉鎖式の排ガス処理装置に接続されており、
前記排ガス処理装置は、ガスを循環させる循環路と、該循環路にてアノード側の排ガスとカソード側の排ガスとを反応させて反応物を生成する反応物生成部と、前記循環路から該循環路外に取り出される反応物を貯留する貯留タンクとを有し、前記反応物の取り出し位置の下流側であって前記反応物生成部の上流側位置で前記循環路に前記各排出路が接続されており、
前記各排出路に、アノード側排ガスとカソード側排ガスを一時貯蔵するバッファタンクがそれぞれ備えられ、
さらに、前記反応物生成部の下流側に送られた前記循環路のガスを前記各排出路が接続された位置より上流側の位置の循環路から前記各排出路が接続された位置より下流側であって前記反応物生成部の上流側の位置の循環路へ帰還させる開閉可能な未反応ガス帰還路と、前記循環路の未反応ガスを前記反応物生成部の下流側であって前記各排出路の接続位置の上流側で前記未反応ガスを検知する未反応ガス検知器と、前記未反応ガス検知器の未反応ガス検知結果に基づいて、前記ガスの循環を停止し、開いた前記未反応ガス帰還路を通して前記未反応ガスを移送させる排ガス移送制御手段を備えることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、排ガス処理装置によってアノード側の排ガスとカソード側の排ガスとによって反応物を生成して貯留することができ、システム外に排ガスがそのまま放出されるのが回避される。反応物は、貯留が容易な液体または固体が望ましい。排ガス処理装置は、アノード側排ガスとカソード側排ガスによって酸化反応を生じさせて生成物を生成するものが望ましいが、本発明としては特定のものに限定されるものではなく、後述する触媒燃焼器や排ガス処理用燃料電池セルなどを用いることができる。
燃料として水素、酸化剤として酸素を用いる場合、燃料電池システムの燃料である水素は水素貯蔵装置（ボンベ、液体水素、ＭＨタンクなど）、酸化剤である酸素は酸素貯蔵装置（酸素ボンベ、液体酸素など）などから供給される。燃料電池から排出される排ガス（水素、酸素）は、パージガス排出路を通して排出され排ガス処理装置に送られる。排ガス処理装置において、供給された水素と酸素は水に合成され外部のドレインタンクなどに貯留することができる。ガスを循環させつつ反応処理を行うことにより排ガスを確実に処理することができる。反応物をドレインタンクなどの貯留タンクに貯留することでシステム外への排出を確実に防止する。
パージガスのガス組成は排ガス処理装置における反応比率に準ずることが望ましいが、現実には以下の理由によって困難である。
化学的に厳密に決定される反応割合と比較して、システム的に制御できるガス組成の割合の精度は非常に低く長時間の運転において、その誤差が累積される。
本来パージ動作は、燃料電池の運転状態に基づいて行うべきものであり、燃料電池の動作上、必ずしも反応比率が適切なパージ量であるとは限らない。したがって、燃焼電池の状態を回復させるために、反応比率から外れたパージ動作を行う必要がある場合も発生する。
本発明によれば、燃料電池に接続されたアノードガス排出路とカソードガス排出路に設けられたバッファタンクによって、パージガスの制御誤差及び一時的にパージガスの排出比率の操作が吸収されバッファにより平均化し連続的なガス放出に転換することが可能である。これにより排ガス処理装置に対する供給比を確実かつ容易に調整することができる。また、バッファタンクにより安定して排ガスが供給されることで触媒の温度など排ガス処理装置における動作を一定に保って反応効率を良好に維持する点でも有効である。
なお、請求項４を組み合わせることでバッファタンクによる調整が十分に得られない場合にも確実に適切な供給比に調整することができる。
触媒燃焼における触媒温度が低い場合（具体的には装置の立ち上がりなどがそれにあたる）などには、未反応ガス（例えば水素）が発生する可能性がある。この場合には、未反応ガスを触媒などの反応処理の前段へ帰還させることで、外部への水素排出を防止するとともに、触媒温度などの早期上昇に寄与する。
未反応ガス検知器によって即座に未反応ガスを検知して反応処理に供することができ、効率の低下を招くことなく反応処理を効率的に行うことができる。また、燃焼性の未反応ガスの蓄積による危険性を回避する。

請求項２記載の閉鎖式燃料電池システムの発明は、請求項１記載の発明において、前記反応物生成部として、アノード側の排ガスとカソード側の排ガスとを反応させる触媒燃焼器を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、触媒の作用によってアノード側の排ガスとカソード側の排ガスとを安定的に反応させることができる。例えば、水素と酸素とを反応させる場合、１００℃程度の低温で燃焼処理をすることができる。
触媒燃焼器は、ガス循環ブロアなどが主な電力消費源であり、これらは圧縮などと比べて物理的な負荷が大幅に低い。したがって、ガス処理のためのエネルギーの大幅な改善が可能である。また、触媒燃焼器は、基本的に触媒以外を交換する必要がない。触媒も一度のみの使用を基本とする吸着剤と比較すれば、はるかに長寿命である。

請求項３記載の閉鎖式燃料電池システムの発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記排ガス処理装置におけるアノード側排ガスとカソード側排ガスとの反応比率に従って、前記排ガス処理装置に供給されるアノード側排ガスとカソード側排ガスの供給比を調整する供給比調整手段を備えることを特徴とする。

パージ動作は燃料電池の運転状態を良好に維持することを目的としているため、燃料電池の挙動または実験に基づく経験的データに基づいて制御する。しかしながら、大気から隔離した状態で、燃料電池の排ガスの全てを後段の排ガス処理装置によって処理する場合には、反応比率に考慮して、パージガスの制御を行うことが望ましい。
請求項３記載の発明によれば、供給比調整手段によって排ガス処理装置に供給されるアノード側排ガスとカソード側排ガスの供給比が排ガス処理装置における反応比に適したものとなり、アノード側排ガスとカソード側排ガスとを余りなく効率的に反応処理することができる。例えば、水素と酸素とを燃焼処理する場合、反応比は、水素：酸素＝２：１となるので、この反応比に合わせて供給比も２：１に準じたものとする。

請求項４記載の閉鎖式燃料電池システムの発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、アノード側とカソード側の少なくとも一方の排ガス供給量を増量して調整する補助ガス供給ラインを備えることを特徴とする。

反応比率に準じたパージガス比率では、燃料電池が運転できない場合には、燃料電池の運転維持比率に従って、パージを行うことになり、その際、アノード側排ガスとカソード側排ガスとに過不足が生じることがある。
請求項４記載の発明によれば、不足する側の排ガスを補助ガス供給ラインから供給可能とすることで、排ガス処理装置の反応比に対して安定して適切な供給比でアノード側排ガスとカソード側排ガスとを供給することが可能になる。なお、請求項４が組み合わされることでバッファタンクによる調整が十分に得られない場合にも確実に適切な供給比に調整することができる。

請求項５記載の閉鎖式燃料電池システムの発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記循環路は、安定ガスが循環するものであることを特徴とする。

請求項６記載の閉鎖式燃料電池システムの発明は、請求項５記載の発明において、前記バッファタンクは、排ガスに含まれる液分を分離する気液分離機能を備えることを特徴とする。

請求項６記載の発明によれば、上記バッファタンクを容器式の気液分離としても機能させて排ガスに含まれる水分を除去することができる。水分除去により排ガス処理装置における処理効率を良好にすることができる。

請求項７記載の閉鎖式燃料電池システムの発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記バッファタンクは、タンク内圧力を検知する圧力検知手段と、該圧力検知手段の検知結果に基づいて、タンク内圧力が第１の所定圧力以上に達するまで排ガス処理装置への排ガス供給を停止して燃料電池から供給される排ガスを貯蔵して、第１の所定圧力以上に達した後、排ガス処理装置に排ガスを供給し、第２の所定圧力以下に低下した後、排ガス処理装置への排ガス供給を停止して燃料電池から供給される排ガスを貯蔵するように制御するバッファタンク制御手段とを備えることを特徴とする。

請求項７記載の発明によれば、上記バッファタンクの内部圧力に応じて、処理すべき排ガスの残量比率を管理し、燃料電池から排出されるガスのガス供給比の調整を適切に調整する。バッファタンクの内部圧力は圧力センサなどの圧力検知手段によって検知することができる。バッファタンク制御手段は、例えば、ＣＰＵとこれを動作させるプログラム、バッファタンクのガス経路に設けた制御弁を駆動する弁駆動回路などによって構成することができる。

請求項８記載の閉鎖式燃料電池システムの発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記未反応ガス検知器は、前記循環路からの前記反応物の取り出し位置に設けられていることを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、燃料と酸化剤とを供給してこれらの反応によって発電を行う燃料電池のアノード排出側にアノードガス排出路が接続され、前記燃料電池のカソード排出側にカソードガス排出路が接続され、各排出路が閉鎖式の排ガス処理装置に接続されており、
前記排ガス処理装置は、ガスを循環させる循環路と、該循環路にてアノード側の排ガスとカソード側の排ガスとを反応させて反応物を生成する反応物生成部と、前記循環路から該循環路外に取り出される反応物を貯留する貯留タンクとを有し、前記反応物の取り出し位置の下流側であって前記反応物生成部の上流側位置で前記循環路に前記各排出路が接続されており、
前記各排出路に、アノード側排ガスとカソード側排ガスを一時貯蔵するバッファタンクがそれぞれ備えられ、
さらに、前記反応物生成部の下流側に送られた前記循環路のガスを前記各排出路が接続された位置より上流側の位置の循環路から前記各排出路が接続された位置より下流側であって前記反応物生成部の上流側の位置の循環路へ帰還させる開閉可能な未反応ガス帰還路と、前記循環路の未反応ガスを前記反応物生成部の下流側であって前記各排出路の接続位置の上流側で前記未反応ガスを検知する未反応ガス検知器と、前記未反応ガス検知器の未反応ガス検知結果に基づいて、前記ガスの循環を停止し、開いた前記未反応ガス帰還路を通して前記未反応ガスを移送させる排ガス移送制御手段を備えるので、燃料電池から発生する排ガスをシステム外に排出することなく閉鎖式の排ガス処理装置で処理することができる。特に、水素と酸素を用いる燃料電池では、排ガス処理装置では、気体を反応によって液体にして貯留するため、占有体積は極端に圧縮される。また、貯蔵には、水タンクのみが必要であり、構成が簡略化可能である。また、反応後の水として保管するので非常に安定でありタンクも一種類で良い。
本発明は、大気が存在しない等の理由により大気を利用できない場所、及び大気へのガス放出ができない場所において、大気に依存せず効率的に燃料電池を運転することができる。

また、排ガス処理装置に供給されるアノード側排ガスとカソード側排ガスの供給比を調整する供給比調整手段を設ければ、燃料電池の排ガスを貯蔵するといった単純な構成ではなく、動的に排ガス処理と行う装置と燃料電池を互いに連動させて閉鎖式燃料電池システムを構成することができ、排ガス貯蔵占有体積、システム効率の点で、従来の技術と比べて大幅に改善効果がある。特に、長時間の運転を行う閉鎖式燃料電池システムにおいて有効である。

以下に、本発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する
燃料電池システムは、セルをスタックした燃料電池１を有しており、該燃料電池１のアノード入側に水素を供給する水素供給手段１６と、カソード入側に酸素を供給する酸素供給手段１７とを備えている。さらに燃料電池１のアノード出側に、アノードガス排出路の上流側を構成するアノードガス排出路２ａが接続され、カソード出側には、カソードガス排出路の上流側を構成するカソードガス排出路３ａが接続されている。
アノードガス排出路２ａは、開閉弁からなる制御弁ＳＶ１１と逆止弁４が介設されてアノード側バッファタンク６に接続されている。一方、カソードガス排出路３ａは、開閉弁からなる制御弁ＳＶ２１と逆止弁５が介設されてカソード側バッファタンク７に接続されている。

アノード側バッファタンク６とカソード側バッファタンク７には、それぞれタンク内の圧力を測定する圧力センサＰＥ１１、ＰＥ２１が圧力検知手段としてが備えられており、また、タンク内の分離液の所定レベルの液面高さを検知する液面センサＬＳ１１、ＬＳ２１が設けられている。また、アノード側バッファタンク６とカソード側バッファタンク７には、分離した水分をタンク外に排除する排液ライン８、９が接続されており、該排液ライン８、９は、開閉弁からなる制御弁ＳＶ１２、２２を介してドレインタンク１０、１１に接続されている。

さらに、アノード側バッファタンク６には、アノードガス排出路の下流側を構成するアノードガス排出路２ｂが接続され、カソード側バッファタンク７にはカソードガス排出路の下流側を構成するカソードガス排出路３ｂが接続されている。アノードガス排出路２ｂには、開閉弁からなる制御弁ＳＶ１３が介設されて、排ガス処理装置である触媒燃焼装置２０に接続されており、カソードガス排出路３ｂには、開閉弁からなる制御弁ＳＶ２３が介設されて、触媒燃焼装置２０に接続されている。
また、アノードガス排出路２ｂには、制御弁ＳＶ１３の下流側で、前記した水素供給手段１６から分岐した水素補給ライン１８が合流しており、水素補給ライン１８には開閉弁からなる制御弁ＳＶ１４、逆止弁ＣＶ０が介設されている。一方、カソードガス排出路３ｂには、制御弁ＳＶ２３の下流側で、前記した酸素供給手段１７から分岐した酸素補給ライン１９が合流しており、酸素補給ライン１９には開閉弁からなる制御弁ＳＶ２４、逆止弁ＣＶ１が介設されている。

触媒燃焼装置２０内では、前記アノードガス排出路２ｂ、カソードガス排出路３ｂは、それぞれ逆止弁ＣＶ２、ＣＶ３、開閉弁からなる制御弁ＳＶ１５、ＳＶ２５が介設されて循環路２５に接続されている。循環路２５は、アノードガス排出路２ｂ、カソードガス排出路３ｂの接続位置の上流側に、ブロワ２３、流量計２４が介設されており、接続位置の下流側で熱交換器２６を介して補助ヒータ２７に接続され、補助ヒータ２７の下流側で触媒層３０が介設されている。触媒層３０の下流側は前記熱交換器２６、水冷器３２を介して気液分離器３５に接続されており、気液分離器３５の排気側が循環路２５のさらに下流側に接続されている。気液分離器３５には、分離した水分を外部に取り出す排水ライン３７が接続されており、排水ライン３７は、貯留タンクであるドレインタンク３８に接続されている。また、気液分離器３５には、分離器内の水素濃度を検出する水素センサＨＳ３１が未反応ガス検知器として備えられており、別の排気ラインとして帰還路３９が前記触媒層３０の直前で前記循環ライン２５に接続されている。帰還路３９には開閉弁からなる制御弁ＳＶ３５が介設されている。

この実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池システム全体を制御する制御装置４０を有しており、該制御装置４０では上記した制御弁ＳＶ１１、１２、１３、１４、１５、２１、２２、２３、２４、２５、３５を制御する。また、該制御では、液面センサＬＳ１１、ＬＳ２１の検知結果を受けて制御弁ＳＶ１２、２２の開閉を制御し、圧力センサＰＥ１１、２１の検知結果を受けて制御弁ＳＶ１１、１３、１４、２１、２３、２４の開閉制御を行う。また、水素センサＨＳ３１の検知結果を受けて制御弁ＳＶ３５の開閉制御を行う。制御装置４０では、第１の所定圧力Ｐｍａｘ（例えば７０ｋＰａＧ程度）と、第２の所定圧力Ｐｍｉｎ（例えば３０ｋＰａＧ程度）とを予め定めておき、上記した圧力センサＰＥ１１、２１で検知されたバッファタンク内圧力と設定値との比較結果に基づいて上記制御弁ＳＶ１１、１３、１４、２１、２３、２４の制御を行う。すなわち制御装置４０は、バッファタンク制御手段としての機能を有している。制御装置４０は、例えばＣＰＵとこれを動作させるプログラム、各制御弁を駆動する駆動回路などによって構成する。

以下に、この実施形態における動作について説明する。
通常時、水素供給手段１６から水素、酸素供給手段から酸素を燃料電池１に供給する。上記水素と酸素が供給された燃料電池１では、水素と酸素とが反応することで発電がなされる。
ところで、上記燃料電池１では、発電中にセル内に次第に不純物が堆積して発電効率が低下する。このため、通常時よりも多くの水素や酸素を導入して不純物をセル外に排出するパージがなされる。このパージは、定期的に行ったり、セル電圧の変動を監視して所定の電圧まで低下した場合、該電圧をトリガとして行われる。この実施形態の燃料電池１では、燃料電池のセル電圧を監視することにより行う。セル電圧は、スタックを構成するすべてのセルについて管理しており、それぞれに基準値が設けてある。その基準値を下回った場合には、燃料電池の運転が不良であるとみなし、後述する排ガス処理に関係なく電圧復帰を目的としたパージを行う。例えば、燃料電池の各セル電圧が図２に示すような分布をとった場合、４６番のセルが、基準値を下回っているため、４６番のセル回復を目的をしたパージを行う。これらの電圧監視やパージ動作は、前記した制御装置４０によって行うことができる。パージガス量は、制御弁ＳＶ１１、ＳＶ２１の開閉時間により調整を行う。上記パージによって燃料電池１では、図３に示すように安定した電池出力が得られる。
以下、排ガスに対する制御手順を図４のフローチャートを参照しつつ説明する。

上記で燃料電池１から排出されたパージガスは、前記制御弁ＳＶ１１、ＳＶ２１を開き、制御弁ＳＶ１３、２３を閉じてアノード側バッファタンク６、カソード側バッファタンク７に貯蔵される（ステップｓ１）。バッファ内圧力は、燃料電池からの排出圧力以下であるため、排ガスは、バッファタンク内圧力とパージガス圧力との差圧によって貯蔵される。この結果、アノード側バッファタンク６、カソード側バッファタンク７では、排ガスが徐々に蓄積されて図３に示すように次第に内圧が高まっていく。

また、排ガスには水分（加湿水、生成水）が含まれており、アノード側バッファタンク６、カソード側バッファタンク７では、導入された排ガスが比重差によってガスと水分とが分離して水分が底部に次第に蓄積する。この水分の液面高さは、液面センサＬＳ１１、２１によって監視されており、予め定めた液面レベルに達した場合、液面センサＬＳ１１、２１では、その液面を検知する。液面センサＬＳ１１、２１の出力結果は制御装置４０に与えられており、制御装置４０は上記検知結果を受けて、通常時に閉じられている制御弁ＳＶ１２またはＳＶ２２を開いてアノード側バッファタンク６またはカソード側バッファタンク７内の水分を排液ライン８または排液ライン９を通してドレインタンク１０またはドレイン１１に排出する。その後、制御弁ＳＶ１２または制御弁ＳＶ２２を閉じて、アノード側バッファタンク６、カソード側バッファタンク７内での気液分離を継続する。上記により分離された水分は規定レベル以下の水位になるように水位制御される。

アノード側バッファタンク６、カソード側バッファタンク７では、上記排ガスの貯蔵に伴って圧力センサＰＥ１１、２１で内圧が測定されており、測定結果は制御装置４０に出力されている。制御装置４０では、測定値と第１の所定圧力Ｐｍａｘとを比較していずれかのタンクの内圧がＰｍａｘに達した否かを判定する（ステップｓ２）。いずれのタンクの内圧もＰｍａｘに達しない場合には、排ガスの貯蔵を継続する。したがって、触媒燃焼装置２０には、この間は図３に示すように排ガスが供給されない。
そして、いずれかの内圧がＰｍａｘに達した場合、触媒燃焼装置２０への供給に十分なガス圧力が得られているものと判定する。ただし、他方のバッファタンクの内圧がＰｍｉｎ以下である場合（ステップｓ３）、他方のバッファタンクでの排ガス量が不足するため、内圧がＰｍｉｎ以下のバッファタンク側の制御弁ＳＶ１４またはＳＶ２４を開いて水素供給手段１６または酸素供給手段１７側から水素補助供給ライン１８または酸素補助供給ライン１９を通して補助ガスの供給を可能にしておく（ステップｓ１０）。
上記のようにしていずれかの内圧がＰｍａｘに達している場合には制御弁ＳＶ１３、２３を開いて、図３に示すように触媒燃焼装置２０への排ガスの供給を開始する（ステップｓ４）。

触媒燃焼装置２０では、移送媒体として循環路２５内では、窒素などの安定したガスがブロワ２３によって循環されており、該移送媒体は補助ヒータ２７によって加熱されて触媒層３０を予備加熱する（図３参照）。予備加熱は、システムの稼働初期などに行われる。
上記によりアノードガス排出路２ｂ、カソードガス排出路３ｂを通して供給される水素と酸素とは、循環路２５に至り、移送媒体とともに循環路２５を移動して熱交換器２６、補助ヒータ２７を経て触媒層３０へと移動する。熱交換器２６では、触媒層３０を通った温度の高い移送媒体との間で熱交換されて温度上昇し、さらに必要に応じて補助ヒータ２７で加熱されて例えば触媒燃焼に適した１００℃程度に加熱される。触媒層３０では、導入された水素と酸素とが反応比、すなわち水素：酸素＝２：１の比率で触媒燃焼し、水化する。水分は移送媒体とともに循環路２５を下流側に移動する。触媒層３０では、上記燃焼によって高い温度が維持されるので、補助ヒータ２７の動作を間欠的にするなどして電力消費を低減することができる。なお、上記触媒燃焼によって、反応に供された排ガスに応じてアノードガス排出路２ｂとカソードガス排出路３ｂとを通してアノード側バッファタンク６から水素が供給され、カソード側バッファタンク７から酸素が供給される。また、補助供給ラインからの供給が可能になっている場合には、補助供給ラインから水素または酸素が補充されて、上記反応比に従って水素と酸素とが触媒燃焼装置２０に供給される。

触媒層３０を経た移送媒体は、上記のように熱交換器２６で、引き続き供給される水素、酸素を伴う移送媒体との間で熱交換がされて降温し、さらに水冷器３２で水冷されて気液分離器３５へと導入される。気液分離器３５では、移送媒体に含まれていた水分が分離して、底部に分離水３６として蓄積する。分離された移送媒体は循環路２５にさらに供給されてブロワ２３、流量計２４を経てさらに水素、酸素が混合される。

気液分離器３５では、分離水３６は排水ライン３７を通してドレインタンク３８に貯留される。また、気液分離器３５では、水素センサＨＳ３１によって気液分離器３５内の水素を検知している。制御装置４０では、水素センサＨＳ３１の検知結果が出力されており、予め定めた数値との比較によって未反応水素が含まれているか否かの判定がなされる。未反応水素が含まれていないと判定する場合、循環路２５による移送媒体の循環を継続する。
未反応水素が含まれていると判定される場合、制御弁ＳＶ３５を開いて気液分離器３５内のガスを帰還路３９を通して触媒層３０直前の循環路２５に供給する。ガスは直ちに触媒層３０に移送されて触媒燃焼に供される。これにより、触媒層３０の下流側に未反応ガスが残存しないようにして、残存がある場合には直ちに触媒燃焼に供して未反応ガスの蓄積を防止する。これにより水素の外部への漏洩を防ぐことができ、また、安全性を確保する。また、この動作は、触媒の温度を早期に上昇させることにも寄与し燃焼効率を高める。なお、上記のように未反応水素が気液分離器３５に移送されるのは、燃焼触媒の温度が低い時点（たとえば、装置起動時）のように触媒燃焼が十分になされない場合であり、通常時には、反応比に対し適切な供給比で供給される水素と酸素とによって未反応ガスを残すことなく反応させることができる。

なお、アノード側バッファタンク６、カソード側バッファタンク７では、上記のように適切な供給比で触媒燃焼装置２０に供給されることで、図３に示すように次第に内圧が低下する。この内圧は、前記したように圧力センサＰＥ１１、２１で検知されて検知結果が制御装置４０に出力されている。制御装置４０では、この検知圧力値と第２の所定圧力であるＰｍｉｎと比較して、Ｐｍａｘ以上を示したバッファタンク側で内圧がＰｍｉｎに達するまで低下しているか否かが判定される（ステップｓ５）。Ｐｍｉｎに達しない場合には、上記した水素、酸素の供給および触媒燃焼を継続する。一方、Ｐｍａｘ以上を示したバッファタンク側で内圧がＰｍｉｎに低下した場合、ガス圧力が不足したものとして、図３に示すようにガスの供給を停止し、アノード側バッファタンク６およびカソード側バッファタンク７のガスの貯蔵を再開する。この際には、ガス補助供給ラインでの補給を停止する（ステップｓ６）。そして、制御弁ＳＶ１３、２３を閉じて触媒燃焼装置２０側への供給を停止した状態で、燃料電池１から排出される排ガスをアノード側バッファタンク６およびカソード側バッファタンク７に導入して貯蔵する。貯蔵の開始に伴って、図３に示すように、バッファタンク内の内圧は上昇するので、上記と同様に内圧を監視して、Ｐｍａｘ、Ｐｍｉｎとの比較によって排ガスの貯蔵、供給・触媒燃焼を繰り返すことで排ガスを確実に触媒燃焼させて残存ガスを生じさせることなくシステムを稼働させることができる。上記システムでは、例えば５０時間の継続稼働においても、初期稼働時以外は触媒層３０の後段の循環路２５においては未反応ガスは検出限界以下であり、排ガスが確実に燃焼処理されている。

以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明をしたが、本発明は、上記説明に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜の変更が可能である。

本発明の一実施形態の燃料電池システムを示す全体概略図である。 同じく、パージ制御の基準になるセル電圧の監視状態を示す図である。 同じく、稼働時の燃料電池出力、バッファタンク内圧、触媒供給量、触媒前後の温度の時間変化を示す図である。 同じく、排ガスの供給制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２ａ アノードガス排出路
２ｂ アノードガス排出路
３ａ カソードガス排出路
３ｂ カソードガス排出路
６ アノード側バッファタンク
７ カソード側バッファタンク
８ 排液ライン
９ 排液ライン
１６ 水素供給手段
１７ 酸素供給手段
１８ 水素補給ライン
１９ 酸素補給ライン
２０ 排ガス処理装置
２５ 循環路
３０ 触媒層
３５ 気液分離器
３８ ドレインタンク
ＳＶ１１、１２、１３、１４、１５ 制御弁
ＳＶ２１、２２、２３、２４、２５ 制御弁
ＳＶ３５ 制御弁
ＬＳ１１、２１ 液面センサ
ＰＥ１１、２１ 圧力センサ
ＨＳ３１ 水素センサ

Claims (8)

1. 燃料と酸化剤とを供給してこれらの反応によって発電を行う燃料電池のアノード排出側にアノードガス排出路が接続され、前記燃料電池のカソード排出側にカソードガス排出路が接続され、各排出路が閉鎖式の排ガス処理装置に接続されており、
   前記排ガス処理装置は、ガスを循環させる循環路と、該循環路にてアノード側の排ガスとカソード側の排ガスとを反応させて反応物を生成する反応物生成部と、前記循環路から該循環路外に取り出される反応物を貯留する貯留タンクとを有し、前記反応物の取り出し位置の下流側であって前記反応物生成部の上流側位置で前記循環路に前記各排出路が接続されており、
   前記各排出路に、アノード側排ガスとカソード側排ガスを一時貯蔵するバッファタンクがそれぞれ備えられ、
   さらに、前記反応物生成部の下流側に送られた前記循環路のガスを前記各排出路が接続された位置より上流側の位置の循環路から前記各排出路が接続された位置より下流側であって前記反応物生成部の上流側の位置の循環路へ帰還させる開閉可能な未反応ガス帰還路と、前記循環路の未反応ガスを前記反応物生成部の下流側であって前記各排出路の接続位置の上流側で前記未反応ガスを検知する未反応ガス検知器と、前記未反応ガス検知器の未反応ガス検知結果に基づいて、前記ガスの循環を停止し、開いた前記未反応ガス帰還路を通して前記未反応ガスを移送させる排ガス移送制御手段を備えることを特徴とする閉鎖式燃料電池システム。
2. 前記反応物生成部として、アノード側の排ガスとカソード側の排ガスとを反応させる触媒燃焼器を備えることを特徴とする請求項１記載の閉鎖式燃料電池システム。
3. 前記排ガス処理装置におけるアノード側排ガスとカソード側排ガスとの反応比率に従って、前記排ガス処理装置に供給されるアノード側排ガスとカソード側排ガスの供給比を調整する供給比調整手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の閉鎖式燃料電池システム。
4. アノード側とカソード側の少なくとも一方の排ガス供給量を増量して調整する補助ガス供給ラインを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の閉鎖式燃料電池システム。
5. 前記循環路は、安定ガスが循環するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の閉鎖式燃料電池システム。
6. 前記バッファタンクは、排ガスに含まれる液分を分離する気液分離機能を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の閉鎖式燃料電池システム。
7. 前記バッファタンクは、タンク内圧力を検知する圧力検知手段と、該圧力検知手段の検知結果に基づいて、タンク内圧力が第１の所定圧力以上に達するまで排ガス処理装置への排ガス供給を停止して燃料電池から供給される排ガスを貯蔵して、第１の所定圧力以上に達した後、排ガス処理装置に排ガスを供給し、第２の所定圧力以下に低下した後、排ガス処理装置への排ガス供給を停止して燃料電池から供給される排ガスを貯蔵するように制御するバッファタンク制御手段とを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の閉鎖式燃料電池システム。
8. 前記未反応ガス検知器は、前記循環路からの前記反応物の取り出し位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の閉鎖式燃料電池システム。

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