JPH0766825B2

JPH0766825B2 - 燃料電池雰囲気ガス処理装置

Info

Publication number: JPH0766825B2
Application number: JP2294260A
Authority: JP
Inventors: 正高島; 馨象大塚; 俊樹加原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-10-30
Filing date: 1990-10-30
Publication date: 1995-07-19
Anticipated expiration: 2010-07-19
Also published as: JPH04167367A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、燃料電池、特に、その電池収納容器内の可燃
性ガス成分をの除去装置に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池の構造において、燃料電池セル積層部及び燃料
電池収納容器内の接続配管とそのフランジ等の接合部に
おけるシールが100％完全であれば、可燃性ガスの漏洩
に基づく危険性は回避できるものの、現実の問題とし
て、燃料電池の構成部材の接続部等から反応ガスが一部
漏洩することは避けられず、容器内電池雰囲気ガス中に
可燃ガス成分が含まれる可能性がありうる。

従来から、雰囲気ガス中に可燃性ガスをリークさせない
ための種々の技術的改良がなされてきている（特開昭60
-241659号公報、特開昭61-148766号公報等参照）一方、
他方においては、リークしたガスを雰囲気ガスに集合さ
せ、積極的に容器外に排出する技術も開示されている
（特開平２−24972号公報参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

電池収納容器内に流出したガスを容器から直接大気に排
出することは、流出するガス内に可燃性ガス成分や電解
質の飛散分などが含まれるため、環境上問題である。ま
た、電池収納容器内に流出したガスを配管で集合させ、
全体をまとめた形で処理する方法が考えられる。ところ
が、複数の電池雰囲気ガスには、可燃成分が含まれる可
能性もある一方、酸素分が含まれる可能性もある。従っ
て、流出ガスを集合して処理する場合には、可燃分と酸
素分が配管内で合流し合い、その濃度によっては異常燃
焼などを生じる可能性がある。

本発明の目的は、電池収納容器内に可燃分がリークして
いる場合にも、また酸素分がリークしている場合にも、
その運転される条件にかかわりなく、電池雰囲気ガス系
統内のガスを安全に処理することができる、燃料電池雰
囲気ガス内可燃成分の除去装置を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、燃料電池収納容器
内もしくは雰囲気ガス系統に可燃性ガス処理装置を設置
したものを開示し提供する。

即ち、本発明は、セル積層体、これに反応ガスを供給排
出する反応ガス配管、電池収納容器、および雰囲気ガス
系統とからなる燃料電池設備において、電池収納容器内
もしくは雰囲気ガス系統に可燃性ガス処理装置を設置
し、セル積層体もしくは反応ガス配管から収納容器内部
に流出した可燃性ガスを除去することを特徴とした燃料
電池雰囲気ガス内可燃成分の除去装置を提供する。

可燃性ガス処理装置としては、電気および／またはガス
を使用する燃焼器、触媒燃焼器、水素貯蔵合金を使用し
た処理装置のいずれか、もしくは、それらの組み合わせ
とすることは望ましい形態である。

さらに、可燃性ガス処理装置を設置する部位としては、
雰囲気ガス系統における、（１）電池収納容器内、
（２）電池収納容器内でセル積層体周囲に保温設備を有
する構成におけるものの場合にはこの保温設備内、
（３）雰囲気ガス配管内、あるいは（４）雰囲気ガス配
管内で複数の排気配管が合流する部位のいずれかまたは
その組合せの部位に設置することは有効である。

また、本発明は、可燃性ガスの燃焼による除去を効果的
に行うために、可燃性ガス処理装置に対し酸素を含むガ
スを供給する手段をさらに有している、燃料電池雰囲気
ガス内可燃成分の除去装置をも提供する。

上記の除去装置において、可燃性ガス処理装置の上流に
可燃性ガス検知器を設け、該ガス検知器の信号を基に酸
素含有ガスの流量を制御するようにすることにより、よ
り確実に可燃成分の除去を行うことが可能となる。

本発明は、複数の単位構成要素によって構成される発電
系統において、その運用をより少ない設備で行いうるよ
うにするための態様として、セル積層体、これに反応ガ
スを供給排出する反応ガス配管、電池収納容器、および
雰囲気ガス系統とからなる単位構成要素を複数個備えた
発電施設において、その複数の単位構成要素の各々の雰
囲気ガス系統が集合する雰囲気ガス母管を配設し、さら
に、各単位構成要素の雰囲気ガス系統には、酸素検知
器、雰囲気ガスが母管に流入するのを開閉する止め弁、
および雰囲気ガスを大気に開放する大気開放用弁を設
け、該酸素検知器が酸素を検知したときには、その雰囲
気ガス系統には可燃性ガスはもはや存在しないものと判
断して、その単位構成要素の大気開放用弁を大気に開放
し、雰囲気ガスを大気に逃がしてやるようにした、燃料
電池雰囲気ガス内可燃成分の除去装置をも提供する。

同じく、運用する設備をできるだけ少なくするために、
本発明の他の態様では、電池収納容器内の範囲で酸化剤
側反応ガス配管に開口を設け、酸化剤ガスが電池雰囲気
内に充満するようにした燃料電池雰囲気ガス内可燃成分
の除去装置を提供する。このものにあっては、酸化剤側
反応ガス配管に形成する開口の径を調節して、酸化剤ガ
スが電池雰囲気内に充満するように、かつ電池雰囲気内
温度が400℃程度以下として燃料電池雰囲気ガス内可燃
成分の除去機能を発現させるようにしている。

これらの手段の適用によって、機能上の結果として、可
燃性ガス処理装置もしくは処理機能が発現する部位の下
流において、可燃性ガスの濃度に実質的にゼロとするこ
とが可能となる。

〔作用〕

上記のように収納容器内もしくは雰囲気ガス系統に可燃
性ガス処理装置を設置することで可燃性ガスを完全に除
去することが可能となる。

また、処理装置として、電気、ガスを用いる通常の燃焼
器、低濃度ガスの燃焼が可能であり燃焼器の構造設計上
にも自由度のある燃焼触媒、あるいは処理した水素を回
収可能な水素貯蔵合金など多くの種類のものを用いるこ
とができ、また、その処理装置の設置部位は、基本的に
は系統内各単位構成要素ごととし、各要素ごとに酸素
分、可燃分が雰囲気ガス系統に流れて各要素毎に処理さ
れるようにし、可燃分が合流しないようにする。

具体的には、電池収納容器内、電池収納容器内でセル積
層体周囲に保温設備を有する構成におけるこの保温設備
内、雰囲気ガス配管内、雰囲気ガス配管内で複数の排気
配管が合流する部位のいずれか、もしくは、その組み合
わせの部位である。

特に、運転温度の高い溶融炭酸塩型燃料電池では、電池
収納容器内でセル積層体のまわりに保温設備のある場合
が多く、この保温設備内側の雰囲気温度が電池運転温度
に近い600℃程度となるので、この部位に燃焼触媒など
があれば、可燃分は円滑に燃焼消費される。

可燃分処理装置を設置する最も下流の位置としては、雰
囲気ガス配管内で複数の排気配管が合流する部位があ
る。この可燃性ガス処理装置の上流に可燃性ガス検知器
を設け、本ガス検知器の信号を基に酸素含有ガスの流量
を制御する様にすることにより、より正確に供給酸素量
を規定でき、余分な酸素分は不要となる。

また、配管弁の構成によって、酸素分を含む雰囲気ガス
系統と可燃分を含む雰囲気ガス系統とを分離することに
より、それぞれの単位構成要素からの雰囲気ガスに適す
る方法で処理することができることから、異常燃焼など
の危険は一層少なくなる。

〔実施例〕

以下、添付の図面に基づき本発明をより詳細に説明す
る。

第１図A,Bは、この発明の一実施例を示している。第１
図において、電池積層体１に、反応ガス入口配管２、反
応ガス出口配管３が接続し、この積層体１は、高温のた
め、保温体４内部に設置されている。保温体内部５に
は、保温体内雰囲気ガスの供給配管６と、本発明にかか
る燃焼器７が設置されており、燃焼器７に接続した雰囲
気ガス排気管８を経て雰囲気ガスは器外へ排気される。

燃焼器７は、集合管９およびその内面に取付けられた燃
焼触媒10からなり、保温体４に囲まれた空間のできるだ
け高い位置に設けられる。さらに、燃焼器７の近傍に
は、燃焼用空気の供給供給のための配管11が設けられて
いる。電池積層体１を囲む保温体４全体は、電池の高温
運転のため、収納容器12内に設置されている。

雰囲気ガス排気管８には、可燃性ガスを検知するための
検知器13が設けられ、また、空気供給用配管11には、制
御弁14が設けられている。可燃性ガス検知器13の検出信
号線15は、演算器16に接続されており、演算器16からの
信号線17が、空気供給配管11の制御弁14に接続されてい
る。

この構成において、電池の運転中、保温体内部５に可燃
性ガスがリークすると、その可燃性ガスは、雰囲気ガス
排気管８から排出される。可燃性ガスが排気管８に存在
するようになると、可燃性ガス検知器13によってその濃
度が検知され、その検出信号は、演算器16に伝えられ
る。演算器16では、雰囲気ガスの流量信号と検出可燃性
ガス濃度から、可燃性ガスの燃焼に必要な供給必要空気
量を算出し、相当量を供給できるよう空気供給制御弁14
の開度を調整する。

この結果、空気供給配管11から、燃焼器７の燃焼触媒10
近傍に空気が導入され、供給された空気は、リークした
可燃性ガスを燃焼、消費する。これによって、雰囲気ガ
ス排気系統内における可燃性ガスの濃度は低下、あるい
はゼロとなる。

本実施例の効果は、まず電池雰囲気ガス排気管内の可燃
性ガスを除去することができる。第２には、燃焼器が電
池保温内部にあるため、燃焼によって燃焼部の温度が高
くなっても保温体内部自体の断熱効果によって周囲の構
造物に悪影響をもたらすことがない。

第２の実施例を第２図にて示す。この例においては、電
池積層体１を収納した収納容器12が複数個設けてあり、
各収納容器12,12から、それぞれ電池雰囲気ガス排気用
の配管（支管）８、８が延出している。各排気配管（支
管）８、８の他端は雰囲気ガスの排気を集合する排気管
母管18に、第2B図に示す合流ガス燃焼部19を介して接続
している。

さらに、排気管母管の最下流部には、母管18内の集合排
気内の可燃性ガス濃度を検知するための可燃性ガス検知
器20、およびそれより下流側に位置する母管内の可燃性
ガスを燃焼する母管燃焼部21とが設けられている。

合流ガス燃焼部19は、第2B図に示されるように、外筒2
2、円筒形燃焼触媒23、燃焼触媒用の加熱ヒータ24、雰
囲気ガス排気（支管）合流ノズル25により構成される。
また、母管燃焼部21は、合流ガス燃焼部19と同じ構造で
あるが、さらに、独立の空気導入用の配管26とこれに接
続した空気量調整弁27を有している。また、可燃性ガス
検知器からの信号線は、演算器28をへて、空気量調整弁
27に接続される。

この構成において、電池の運転中、収納容器12内部にリ
ークしたガスは、雰囲気ガス排気管（支管）８から排気
管母管18に排出される。その排出の態様として幾つかの
ケースが存在する。第１のケースとして、複数の排気管
（支管）８のすべてから可燃性ガスのみが母管18に流入
するケースである。その場合は、そのガスはそのまま集
合されガス検知器部20に流入する。ここで、可燃性ガス
濃度が検知されるので、供給量調整弁27が開かれ、母管
燃焼部21において、可燃性ガスと空気が混合し、可燃性
ガスが燃焼、消費されることになる。

第２のケースとして、多くの収納容器12の雰囲気ガス排
気管（支管８）からは、可燃性ガスが流出し、少数の収
納容器、例えば12Aの排気管8Aからは、酸化剤ガスが流
出するケースがある。この場合には、収納容器12Aから
の雰囲気ガスが流入する合流ガス燃焼部19Aでは、上流
からの可燃性ガスの中に酸素分が流入することになり、
合流ガス燃焼部19Aでは、電気ヒータによって加熱され
た燃焼触媒23において酸素分が消費され、一部の可燃性
ガスが消失する。しかしながら、全体としては、可燃分
のリーク量の方が多いため、母管の最下流では、可燃ガ
ス分が残ることになる。この状態で、母管内ガスは可燃
ガス検知器20を通ることになり、さらに下流の母管燃焼
部21で可燃分の全量が燃焼、消費される。

第３のケースとして、多くの容器の雰囲気ガス排気管
（支管）８からは、酸化剤ガスが流出し、一部の容器、
例えば12Aの排気管8Aからは、可燃性ガスが流出する場
合である。この場合には、合流ガス燃焼部19Aにおい
て、全体の酸化雰囲気に可燃分が流入することになり、
燃焼触媒上で全ての可燃分が燃焼、消費される。

第４のケースとして複数の排気管（支管）のすべてから
酸化剤ガスが母管に流入するケースである。この場合に
は、排気される雰囲気ガスに危険物質は含まれないので
特に処理する必要がなくそのまま排気すればよい。

本実施例の効果は、複数の電池圧力容器からの排気に可
燃分、酸素分、そのいずれの組み合わせの場合にも安全
に排気ガスを処理できることである。また、燃焼触媒を
使用しているので低濃度の可燃成分、もしくは、低濃度
の酸素分を処理できる。さらに、燃焼部をガスの合流部
としているため、ガスが合流する時点で可燃分もしくは
酸素分を燃焼、消費できることとなり、可燃分と酸素分
を混合したままで保持されることはない。

第３の実施例を第３図にて示す。電池収納容器12内の主
な構成は第１図とほぼ同じであり、詳細な説明は省略す
る。電池積層体１に接続する図示された配管は、酸化剤
入口配管29、酸化剤出口配管30のみであり、本実施例に
おいては、第１図に示した実施例における保温体内雰囲
気ガス供給配管は設けられない。この実施例において
は、酸化剤出口配管30に、小径の開口部31が設けられて
いる。収納容器には、雰囲気ガス排気管８が設けられて
いる。

この構成において、酸化剤側燃料電池出口ガスの一部
は、この開口31を通過して電池容器内に流入し、電池容
器内は酸素成分を含むガスで充満される。電池積層体１
などから可燃分がリークした場合、リークした可燃分
は、ただちに充満する酸素分と燃焼し、消費される。積
層体１から酸化剤ガスがリークした場合には、もともと
雰囲気ガスが酸化剤ガスであるため、燃焼などの心配は
ない。

なお、電池雰囲気を酸化剤ガス雰囲気とするうえでは、
酸化剤ガスの入口、もしくは、出口の配管を電池積層体
に接続しないで、一方のガスの全量を容器内に開放する
ことも考えられるが、ここでは、酸化剤出口配管30に設
ける開口部31の径は、電池圧力容器内の雰囲気温度400
℃程度となるように設定している。

本実施例の効果は、電池雰囲気ガス系統が不要なこと、
雰囲気ガス排気系統に可燃性ガス検知器を設ける必要が
ないこと、また、電池の排気は必ず酸化剤ガスとなるの
で複数の容器からの排気を集合した場合にも各容器から
の排気ガス毎の成分を考慮した設備、系統が不要である
ことである。さらに、電池圧力容器内の雰囲気温度を40
0℃程度となるように設定しているため、圧力容器各部
の温度もこの温度近傍となり、機械構造物の設計上クリ
ープの影響が少なく、構造物の信頼性が高い。

第４の実施例を第４図に示す。本実施例では、一単位構
成要素38を構成する複数の燃料電池収納容器12からの複
数の雰囲気ガス排気配管８が一つの合流配管32に集合さ
れており、この合流配管32には、合流配管32内のガスを
大気に放出する大気放出弁37、酸素検知器33および可燃
性ガス検知器34とがこの順で設けられている。さらに、
各合流配管32、32からの雰囲気ガスが集合する雰囲気配
管母管35が設けられ、各合流配管32と母管35との間には
開閉弁36、36が設けられている。

この構成において、各単位構成要素の電池雰囲気ガス
は、先ず各合流配管32において合流する。この場合、一
つの合流配管32で接続された単位構成要素38内で、一部
の容器からは、酸素が流出し、他の配管からは、可燃分
が流出する。

流出する酸素および可燃分の割合に応じて、合流配管32
に設けられた酸素検知器33が酸素を検出する場合、しな
い場合が生じる。酸素を検出する場合は、可燃分はより
下流において消費されていることを意味しており、その
場合には、大気放出弁37を開き、合流管32内のガスを大
気に放出する。酸素が検知されない場合には、合流配管
32内に可燃性ガスが含まれている可能性があり、この場
合には、雰囲気ガスを母管35に流入させ、母管35におけ
る可燃分処理装置21で処理させる。

本実施例の効果は、雰囲気ガス配管全ての合流部に第２
の実施例で示した合流部燃焼器を設ける必要がなく、必
要設備が少なくてすむ。この場合、小数の電池雰囲気ガ
ス配管は燃焼部無しに合流させることになるが、グルー
プ内の電池収納容器の員数を少なくすれば、大規模な酸
素分と可燃分との混合は防止でき、重大な異常燃焼は防
止することは充分可能である。

〔発明の効果〕以上、本発明によれば、燃焼電池収納容器内や雰囲気ガ
ス系統内の可燃性ガス分を早い時点で除去することがで
き、可燃性ガス分による異常発火の危険をなくすること
ができ、燃焼電池設備の安定した運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ、Ｂは、本発明の第１の実施例を示す図であ
り、第１図Ａは電池収納容器の断面図及び第１図Ｂは触
媒燃焼器の拡大図である。第２図Ａ、Ｂは、本発明の第
２の実施例であり、第２図Ａは電池収納容器の断面図お
よび第２図Ｂは雰囲気ガス配管と雰囲気ガス排出母管と
の合流部の断面図である。第３図は、本発明の第３の実
施例を示す図であり、酸化剤ガスを電池収納容器に開放
する場合の電池収納容器の断面図である。第４図は、本
発明の第４の実施例を示す系統図である。１…電池積層体、６…雰囲気ガスの供給配管、７…燃焼
器、８…雰囲気ガス排気管、10…燃焼触媒、11…空気供
給配管、13…可燃性ガス検知器、19…合流ガス燃焼部、
31…酸化剤出口配管開口部、32…合流配管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セル積層体、これに反応ガスを供給排出す
る反応ガス配管、電池収納容器、および雰囲気ガス系統
とからなる燃料電池設備において、該収納容器内もしく
は雰囲気ガス系統に可燃性ガス処理装置を設置し、セル
積層体もしくは反応ガス配管から収納容器内部に流出し
た可燃性ガスを除去することを特徴とした燃料電池雰囲
気ガス内可燃成分の除去装置。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池雰囲気ガス内可燃
成分の除去装置において、可燃性ガス処理装置が電気お
よび／またはガスを使用する燃焼器、触媒燃焼器、水素
貯蔵合金を使用した処理装置のいずれか、もしくは、そ
れらの組み合わせであることを特徴とする、燃料電池雰
囲気ガス内可燃成分の除去装置。
【請求項３】請求項１または２記載の燃料電池雰囲気ガ
ス内可燃成分の除去装置において、可燃性ガス処理装置
を設置する部位が、雰囲気ガス系統における次のいずれ
かの部位またはその組合せの部位であることを特徴とす
る、燃料電池雰囲気ガス内可燃成分の除去装置。（１）電池収納容器内、（２）電池収納容器内でセル積層体周囲に保温設備を有
する構成におけるこの保温設備内、（３）雰囲気ガス配管内、（４）雰囲気ガス配管内で複数の排気配管が合流する部
位。
【請求項４】請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池
雰囲気ガス内可燃成分の除去装置において、可燃性ガス
処理装置に対し酸素を含むガスを供給する手段をさらに
有していることを特徴とする、燃料電池雰囲気ガス内可
燃成分の除去装置。
【請求項５】請求項４記載の燃料電池雰囲気ガス内可燃
成分の除去装置において、可燃性ガス処理装置の上流に
可燃性ガス検知器を設け、該ガス検知器の信号を基に酸
素含有ガスの流量を制御する手段をさらに有しているこ
とを特徴とする、燃料電池雰囲気ガス内可燃成分の除去
装置。
【請求項６】セル積層体、これに反応ガスを供給排出す
る反応ガス配管、電池収納容器、および雰囲気ガス系統
とからなる単位構成要素、および、複数の単位構成要素の各々の雰囲気ガス系統が集合する
雰囲気ガス母管、とを有する燃料電池設備において、前記雰囲気ガス母管はその下流部位に可燃性ガス処理装
置を有し、さらに、各単位構成要素の雰囲気ガス系統は、酸素検知器、雰囲
気ガスが母管に流入するのを開閉する止め弁、雰囲気ガ
スを大気に開放する大気開放用弁、および、該酸素検知
器が酸素を検知したときに前記止め弁を閉じ前記大気開
放用弁を開とする手段を有していて、前記酸素検知器が
酸素を検知したときに前記止め弁を閉じ前記大気開放用
弁を開とすることにより、その単位構成要素の雰囲気ガ
スを大気に解放するよう構成したことを特徴とする、燃
料電池雰囲気ガス内可燃成分の除去装置。
【請求項７】セル積層体、該セル積層体に燃料および酸
化剤ガスを供給排出する反応ガス配管、電池収納容器、
および該収納容器内の雰囲気ガスの排気管を含めた雰囲
気ガス系統とからなる燃料電池設備において、電池収納
容器内の範囲で酸化剤側反応ガス配管に開口を設け、酸
化剤ガスが電池雰囲気内に充満するようにした燃料電池
雰囲気ガス内可燃成分の除去装置。