JP5517508B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

一般に、燃料電池は、水素等を含む燃料ガスと酸素や空気等の酸化剤とを反応させ、燃料電池スタック（燃料電池本体）にて発電を行う。
燃料や酸化剤は、１００％反応させることはできず、未反応の燃料や酸化剤を含むガス（オフガス）を排出する。
定置用や自動車用等の燃料電池では、オフガスを大気へ放出する大気開放型の燃料電池が多用される。ただし、オフガスはそのまま放出するのではなく、爆発等の危険性および環境等を考慮して、たとえば、燃焼触媒等を用いて燃焼器にて燃焼処理してから排出される（たとえば特許文献１参照）。

これに対して、宇宙機器や潜水機（潜水船も含む）に燃料電池を用いる場合には、オフガスやドレン水を燃料電池の外部へと放出することができないため、内部に貯蔵する必要がある。
この場合、たとえば、特許文献２に示されるようにオフガスは燃焼処理され、一部が液体（水）に変換されることで容積を減少させている。この場合、燃料ガスは残らないように処理されることが好ましい。
たとえば、窒素等の不活性ガス、酸化剤を含む残余のガス分については、必要に応じ、たとえば、圧縮機によって圧縮し、容積を減少させて貯蔵容器に貯蔵することが行われている。

オフガスを燃焼処理する場合、爆発の危険性を避けるため、低燃料濃度での触媒燃焼が行われることが多い。
燃料濃度の低減には、希釈媒体として外部から窒素等の不活性ガスを常時供給する方法、特許文献２に示されるように排ガス処理装置を循環系で構成し窒素等の不活性ガスを循環させる方法が用いられる。

特許第３６９２９６２号公報 特開２００７−２８０７０５号公報

ところで、特許文献２に示されるような循環系で構成されたオフガスを処理する排ガス処理装置では、運転状況の変化（酸素濃度変化等）によって系内の圧力が変動することがある。
すなわち、上流の燃料電池スタックのパージ（燃料電池の発電に必要な量以上のガスあるいは窒素等の不活性ガスを間欠的に送り込んで内部ガスの置換を行うこと。）で、たとえば、窒素等の不活性ガスが排ガス処理装置に流入した場合、不活性ガスは燃焼処理されないため、循環系内の圧力が上昇する。また、上流の燃料電池スタックから排出される燃料と酸化剤との比率が当量比から酸化剤過剰側にずれた場合、酸化剤が残されるので、圧力が上昇する。

一方、上流の燃料電池スタックから排出される燃料と酸化剤との比率が当量比から燃料過剰側にずれた場合、循環系内で循環している酸化剤が消費されるため圧力が低下する。
また、上流の燃料電池スタックから排出される燃料と酸化剤との比率が当量比から酸化剤過剰側にずれ、かつ、酸化剤濃度が規定値を超過した場合、酸化剤濃度を低下させるため、燃料電池からの酸化剤排出を一時的に停止させる、あるいは、外部から燃料を供給する、等を行うことが考えられる。これにより、循環系内に循環している酸化剤が消費されるため圧力が低下する。

このような圧力変動は、放置しておけば一層拡大する傾向があるので、甚だしい場合には装置の損傷等につながるし、オフガスの処理効率の悪化等で燃料電池の効率が低下する恐れがある。このため、圧力変動を抑制することを求められている。
圧力上昇時には、圧縮機によって圧縮し、容積を減少させて貯蔵容器に貯蔵するものでは圧縮機を作動させることによって圧力を低下させる圧力制御が可能である。
一方、圧力低下時には、外部からのガス供給装置がないと制御不可能という課題がある。
しかし、圧力補償を行うためボンベ等のガス供給装置を外部に保有することには装備性の悪化という課題がある。

また、特許文献２に示されるものでは、燃料電池スタックから排出される燃料あるいは酸化剤の不足による圧力低下時に、燃料電池スタックに供給される燃料あるいは酸化剤を排出側に供給するようにしている。
これでは、本来電力を発生するために用いられる燃料あるいは酸化剤が、電力を生成することなく排気されることになるので、燃料効率が悪化するという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、外部にガス供給設備を備えることなく、燃料排ガスおよび酸化剤排ガス処理の圧力制御、特に、圧力低下の抑制を行うことができる燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃料電池は、燃料および酸化剤が供給されることによって発電が行われる燃料電池本体と、該燃料電池本体から排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを燃焼処理する燃焼器と、少なくとも第一循環路を通って送られる前記燃焼器から排出される燃焼処理物を貯留するドレン水貯留部と、該ドレン水貯留部に貯留されたガス成分を前記燃焼器に供給する第二循環路と、選択的に圧縮機を作動させ前記燃焼処理物あるいは前記ガス成分を圧縮して貯蔵する燃焼処理物貯蔵部と、選択的に該燃焼処理物貯蔵部に貯蔵された前記燃焼処理物あるいは前記ガス成分を前記ドレン水貯留部側に戻す戻し手段と、が備えられていることを特徴とする。

燃料電池本体から排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは、燃焼器で燃焼処理されてほとんど水蒸気となり、冷却されて水となるので、容積が大幅に減少される。
燃焼器から排出される水を含む燃焼処理物は、第一循環路を通ってドレン水貯留部へ送られ、ドレン水貯留部に貯留されたガス成分は第二循環路を通って燃焼器に供給されるので、燃焼器、第一循環路、ドレン水貯留部および第二循環路は、循環系を構成している。この循環系を通って、たとえば、窒素等の不活性ガスが運ばれているので、燃料電池スタックから供給される燃料排ガスを希釈することができる。これにより、燃焼器で燃料排ガスを燃焼させる際、爆発の危険性を避けることができる。

たとえば、この循環系の圧力が高くなると、圧縮機は作動され、燃焼処理物あるいはガス成分を圧縮して燃焼処理物貯蔵部に貯蔵させる。
このように、燃料電池本体から排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは一部液体とされ、残りは、必要に応じて圧縮機によって圧縮されて燃焼処理物貯蔵部に貯蔵されるので、容積を格段に低減することができる。これにより、燃料電池内に確実に保持でき、外部に放出されないので、たとえば、宇宙機器や潜水機（潜水船も含む）等ガスが放出できない環境で燃料電池を用いることができる。
一方、たとえば、循環系の圧力が下降すると、戻し手段を作動させ、燃焼処理物貯蔵部に貯蔵された燃焼処理物あるいはガス成分が循環系に戻されるので、循環系の圧力の下降を抑制あるいは圧力を上昇することができる。
これにより、外部にガス供給設備を備える必要がなくなるので、燃料電池の装備性を向上させることができる。

本発明では、前記戻し手段は、前記第一循環路あるいは前記ドレン水貯留部と前記燃焼処理物貯蔵部とを接続する戻り配管と、該戻り配管の開閉および流量を制御する弁部材と、を備えているのが好ましい。
このようにすると、弁部材を動作させて戻り配管を開くと、圧力の高い燃焼処理物貯蔵部に貯蔵された燃焼処理物あるいはガス成分は、戻り配管を通って圧力の低い第一循環路あるいはドレン水貯留部へ流入する。弁部材によって燃焼処理物あるいはガス成分の流量を制御すると循環系の圧力を容易に制御することができる。

また、本発明では、前記燃焼処理物あるいは前記ガス成分の圧力が所定範囲に入るように前記圧縮機および前記戻し手段の作動を制御することが好ましい。
このようにすると、循環系の圧力が確実に所定範囲に収まるように圧力制御することができる。これにより燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを効率よく処理することができる。

本発明によれば、燃料電池本体から排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは一部液体とされ、残りは、必要に応じて圧縮機によって圧縮されて燃焼処理物貯蔵部に貯蔵されるので、容積を格段に低減することができる。
また、選択的に圧縮機を作動させ燃焼処理物あるいはガス成分を圧縮して貯蔵する燃焼処理物貯蔵部と、選択的に燃焼処理物貯蔵部に貯蔵された燃焼処理物あるいはガス成分をドレン水貯留部側に戻す戻し手段と、が備えられているので、燃焼器、第一循環路、ドレン水貯留部および第二循環路で構成される循環系の圧力が下降した場合でもその下降を抑制あるいは圧力を上昇させることができる。このため、外部にガス供給設備を備える必要がなくなることもあいまって燃料電池の装備性を向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかる閉鎖型燃料電池の概略構成を示したブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる弁の別の実施態様を示すブロック図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の概略構成が示されている。
燃料電池としては、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が好適であるが、その形式は問わない。燃料電池は、宇宙機器や潜水機に用いられて好適な閉鎖型燃料電池となっている。すなわち、燃料電池スタックから排出されるオフガスおよびオフガスから分離されるドレン水は燃料電池の外部へと放出されず、燃料電池のシステム内部に貯蔵されるようになっている。

燃料電池１には、燃料電池スタック（燃料電池本体）３と、排ガス処理装置５と、が備えられている。
燃料電池スタック３には、図示しない燃料ガス源から燃料ガスが供給されるようになっている。水素を含む燃料ガスは、加湿器７を通過することによって加湿された後に、燃料電池スタック３へと導かれる。
燃料電池スタック３には、図示しない酸化剤ガス源から酸化剤ガスが供給されるようになっている。酸素を含む酸化剤ガスは、加湿器９を通過することによって加湿された後に、燃料電池スタック３へと導かれる。

燃料電池スタック３では、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素によって電気化学反応による発電が行われ、発電電力は、図示しない外部負荷によって取り出されるようになっている。

次に、排ガス処理装置５の構成について説明する。
燃料電池スタック３から排出された水素ガスを含む燃料排ガス（オフガス）は、燃料排ガス用気液分離器１１へと導かれる。
この燃料排ガス用気液分離器１１にて、燃料排ガス中の水分が凝縮されドレン水として下方に貯留される。このドレン水中には、燃料排ガス中の水素が溶存している。

一方、燃料電池スタック３から排出された酸素を含む酸化剤排ガス（オフガス）は、酸化剤排ガス用気液分離器１３へと導かれる。
この酸化剤排ガス用気液分離器１３にて、酸化剤排ガス中の水分が凝縮されドレン水として下方に貯留される。このドレン水中には、酸化剤排ガス中の酸素が溶存している。

燃料排ガス用気液分離器１１から排気される水分除去後の燃料排ガスと、酸化剤排ガス用気液分離器１３から排気される水分除去後の酸化剤排ガスは、触媒燃焼器（燃焼器）１５へと導かれ、燃焼処理される。
これにより、燃料排ガス中の可燃分である水素が処理され、水蒸気とされる。触媒燃焼器１５に用いられる触媒としては、白金またはパラジウムが用いられる。特に白金は、反応温度が低いので好適である。

触媒燃焼器１５から排気される水蒸気を含む燃焼排ガス（燃焼処理物）は、第一循環配管（第一循環路）１７を通ってドレン水受けタンク（ドレン水貯留部）１９へと導かれる。
燃焼排ガスは、第一循環配管１７およびドレン水受けタンク１９で冷却され、水蒸気は水となり、ドレン水受けタンク１９の下部に貯留される。
ドレン水受けタンク１９には、燃料排ガス用気液分離器１１にて分離されたドレン水と、酸化剤排ガス用気液分離器１３にて分離されたドレン水が導かれ、貯留される。

ドレン水受けタンク１９の上部空間（以下、気相部ということもある。）には、触媒燃焼器１５で燃焼されない窒素等の不活性ガス等のガス成分、燃料排ガス用気液分離器１１にて分離されたドレン水中に溶存している水素ガス、酸化剤排ガス用気液分離器１３にて分離されたドレン水中に溶存しているガス分等のガス分が貯留されている。
ドレン水受けタンク１９の気相部と触媒燃焼器１５の内部とは、第二循環配管（第二循環路）２１によって接続されている。第二循環配管２１には、ファン２３が取り付けられている。

ファン２３によって気相部のガス成分は触媒燃焼器１５へと導かれる。これにより、ドレン水受けタンク１９の気相部における水素ガスは、触媒燃焼器１５によって燃焼処理される。すなわち、燃料排ガス用気液分離器１１にて分離されたドレン水中に溶存している水素ガスは、ドレン水受けタンク１９にてドレン水から脱離させられ、触媒燃焼器５にて処理される。

このように、ドレン水受けタンク１９の気相部からファン２３によって水素ガスを吸い出して触媒燃焼器１５にて順次処理することによって、ドレン水受けタンク１９の気相部における水素濃度は低下させられる。
さらに、気相中の水素濃度が低下するので溶解平衡がシフトして、ドレン水中の水素濃度も低下する。したがって、酸化剤と共存しても反応の可能性が極めて低いので、酸化剤排ガス用気液分離器１３のドレン水をドレン水受けタンク１９に導くことが可能となる。これにより、ドレン水受けタンク１９を共通化することができ、装置構成が簡素化される。

触媒燃焼器１５、第一循環配管１７、ドレン水受けタンク１９および第二循環配管２１は、循環経路（循環系）を構成している。
この循環系を通って、たとえば、窒素等の不活性ガスが運ばれているので、燃料電池スタック３から供給される燃料排ガスを希釈することができる。これにより、触媒燃焼器１５で燃料排ガスを燃焼させる際、爆発の危険性を避けることができる。

第一循環配管１７の中途には、分岐配管２５が分岐されている。分岐配管２５の一端はガス貯蔵タンク（燃焼処理物貯蔵部）２７に接続されている。分岐配管２５には、圧縮機２９が備えられている。圧縮機２９は、レシプロ圧縮機が用いられているが、これに限定されるものではない。分岐配管２５は、ドレン水受けタンク１９の気相部とガス貯蔵タンク２７とを接続するようにしてもよい。
圧縮機２９が作動すると、第一循環配管１７を通る燃焼排ガスは圧縮機２９によって圧縮され減容化された後に、ガス貯蔵タンク２７へと導かれ、貯蔵される。

ドレン水受けタンク１９の気相部とガス貯蔵タンク２７とを接続するように戻り配管３１が取り付けられている。
戻り配管３１には、戻り配管３１の閉鎖を含め流量調整を行える電動制御弁（弁部材）３３が備えられている。戻り配管３１および電動制御弁３３が本発明の戻し手段を構成する。
弁部材として、電動制御弁３３に換えて図２に示されるように戻り配管３１の開閉を行う電磁弁３２と流量調整を行うニードル弁３４とを用いてもよい。

ドレン水受けタンク１９には、気相部の圧力を測定する圧力計３５が取り付けられている。
燃料電池１の動作を制御する制御部３７は、圧力計３５が測定する圧力値に対応して圧縮機２９の作動、非作動および圧縮能力等を制御する。また、制御部３７は、圧力計３５が測定する圧力値に対応して電動制御弁３３の開閉量を制御する。
制御部３７は、圧力計３５の測定値が高い側の規定圧力よりも大きくなったら圧縮機２９を作動させ、低い側の規定圧力よりも小さくなったら電動制御弁３３を開くように制御する。

ドレン水受けタンク１９内で貯留されたドレン水は、ドレン水貯蔵タンク３９へと導かれ、最終的に貯蔵される。ドレン水受けタンク１９から抜き出されるドレン水は、上述のように水素が脱離されているので、ドレン水貯蔵タンク３９の気相部には水素ガスが滞留して濃縮することがない。

ドレン水受けタンク１９に貯留されたドレン水の一部は、加湿水ポンプ４１によって純水器４３へと導かれる。純水器４３にて、ドレン水は純水へと精製される。純水器４３からの純水は、加湿器７，９へと導かれる。
このように、ドレン水を加湿水として用いることにより、ドレン水を有効利用することができる。
なお、図１において破線で示したように、ドレン水貯蔵タンク３９に貯留されたドレン水を加湿水ポンプ４５により抜き出し、加湿水として用いることとしても良い。
また、ドレン水は、燃料電池スタック３の冷却水、および／または、水電解装置の電解用水として再利用することとしても良い。

以上の通り構成された本実施形態による燃料電池１の動作について説明する。
燃料電池スタック３から排出される燃料排ガスは、燃料排ガス用気液分離器１１にて水分が除去され触媒燃焼器１５に導かれる。一方、酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス用気液分離器１３にて水分が除去され触媒燃焼器１５に導かれる。
触媒燃焼器１５に導かれた燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは燃焼処理され、触媒燃焼器１５から水蒸気を含む燃焼排ガスが排出される。

排出された燃焼排ガスは、第一循環配管１７を通って冷却されつつドレン水受けタンク１９に導かれる。
ドレン水受けタンク１９で水と分離された不燃焼成分を多く含むガス成分は、ファン２３によって第二循環配管２１を通って触媒燃焼器１５へ導入されるので、燃料電池スタック３から供給される燃料排ガスを希釈することができる。これにより、触媒燃焼器１５で燃料排ガスを燃焼させる際、爆発の危険性を避けることができる。
燃料電池スタック３から排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは、触媒燃焼器１５で燃焼処理されてほとんど水蒸気となり、冷却されて水となるので、容積を大幅に減少させることができる。

たとえば、運転状況の変化によってドレン水受けタンク１９の気相部の圧力が高くなり、圧力計３５の計測値が高い側の規定圧力よりも高くなると、制御部３７は圧縮機２９を作動させる。
圧縮機２９が作動されると、第一循環配管１５を通る燃焼排ガスは圧縮機２９によって吸引され、圧縮される。圧縮され、減容された燃焼排ガスはガス貯蔵タンク２７へと導かれ、貯蔵される。
これにより、ドレン水受けタンク１９の気相部の圧力が低くなり、圧力計３５の計測値が高い側の規定圧力よりも低くなると、制御部３７は圧縮機２９の作動を停止する。

このように、燃料電池スタック３から排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは一部水とされ、残りは、必要に応じて圧縮機２９によって圧縮されてガス貯蔵タンク２７に貯蔵されるので、容積を格段に低減することができる。これにより、燃料電池内に確実に保持でき、外部に放出されないので、たとえば、宇宙機器や潜水機（潜水船も含む）等ガスが放出できない環境で燃料電池を用いることができる。

一方、たとえば、運転状況の変化によってドレン水受けタンク１９の気相部の圧力が低くなり、圧力計３５の計測値が低い側の規定圧力よりも低くなると、制御部３７は電動制御弁３３を開いて戻り配管３１を開放する。これにより、圧力の高いガス貯蔵タンク２７内の燃焼排ガスが戻り配管３１を通ってドレン水受けタンク１９の気相部に戻されるので、循環系の圧力の下降を抑制あるいは圧力を上昇することができる。
これにより、ドレン水受けタンク１９の気相部の圧力が高くなり、圧力計３５の計測値が低い側の規定圧力よりも高くなると、制御部３７は電動制御弁３３を閉じる。
これにより、外部にガス供給設備を備える必要がなくなるので、燃料電池１の装備性を向上させることができる。

なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
本実施形態では、戻し手段としてドレン水受けタンク１９の気相部とガス貯蔵タンク２７とを接続する戻り配管３１および戻り配管３１の開閉量を制御する電動制御弁３３を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、圧縮機２９を可逆運転可能なものとしてもよい。ドレン水受けタンク１９の気相部の圧力が低くなると、圧縮機２９は燃焼排ガスがガス貯蔵タンク２７へと導かれる場合と逆方向に導かれるように運転される。これによりガス貯蔵タンク２７内の燃焼排ガスは分岐配管２５を通ってドレン水受けタンク１９の気相部に戻される。

１ 燃料電池
３ 燃料電池スタック
１５ 触媒燃焼器
１７ 第一循環配管
１９ ドレン水受けタンク
２１ 第二循環配管
２７ ガス貯蔵タンク
２９ 圧縮機
３１ 戻り配管
３２ 電磁弁
３３ 電動制御弁
３４ ニードル弁

Claims (3)

1. 燃料および酸化剤が供給されることによって発電が行われる燃料電池本体と、
   該燃料電池本体から排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを燃焼処理する燃焼器と、
   少なくとも第一循環路を通って送られる前記燃焼器から排出される燃焼処理物を貯留するドレン水貯留部と、
   該ドレン水貯留部に貯留されたガス成分を前記燃焼器に供給する第二循環路と、
   選択的に圧縮機を作動させ前記燃焼処理物あるいは前記ガス成分を圧縮して貯蔵する燃焼処理物貯蔵部と、
   選択的に該燃焼処理物貯蔵部に貯蔵された前記燃焼処理物を前記ドレン水貯留部側に戻す戻し手段と、
   が備えられていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記戻し手段は、前記第一循環路あるいは前記ドレン水貯留部と前記燃焼処理物貯蔵部とを接続する戻り配管と、
   該戻り配管の開閉および流量を制御する弁部材と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃焼処理物あるいは前記ガス成分の圧力が所定範囲に入るように前記圧縮機および前記戻し手段の作動を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
   

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