JP2006344471A - 燃料電池の排出ガス処理装置および排出ガス処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池から排出された水素の濃度を低くして、外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置および排出ガス処理システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池のアノードから排出された水素を内部に滞留させる滞留室４１ａ、４１ｂを有する滞留器４１を備え、滞留した水素をカソードオフガスで希釈して排出する希釈器４０（燃料電池の排出ガス処理装置）であって、滞留した水素と反応することによって、水素を消費するドライエア中の酸素（水素消費ガス）を滞留室４１ａに導入する配管３３ａ（水素消費ガス導入部）と、導入された水素と水素消費ガスとの反応を促進させる触媒４３と、を備えた。
【選択図】 図４

Description

本発明は、燃料電池のアノードから排出された水素を希釈処理する燃料電池の排出ガス処理装置および排出ガス処理システムに関する。

近年、水素がアノードに、酸素がカソードにそれぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する燃料電池の開発が盛んである。この燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。このような燃料電池では、その出力を高めるために、アノードに消費される量以上の水素が供給される場合が多く、アノードから反応で使用されなかった未反応の水素が排出される。そこで、水素の利用効率を高めるべく、この排出された未反応の水素を水素供給側に戻し、水素を循環させる水素循環系を採用した技術が提案されている。

また、燃料電池が発電すると、カソードで水が生成し、この生成水の一部が固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）をアノード側に透過する。その他、電解質膜の湿潤状態を確保して、電解質膜のプロトン（水素イオン）の拡散性（導電性）を高めるため、例えば、燃料電池のカソード側またはアノード側に供給されるガス（水素、酸素を含む空気など）を加湿する方法が採用されている。

したがって、水素循環系を採用する燃料電池システムの場合、燃料電池のアノード側では発電に伴って、循環する水素に同伴する水分量や窒素などの不純物量が高くなり、燃料電池の発電効率が低下する場合がある。そこで、このように循環する水素に同伴する水分量や窒素などの不純物量が高くなった場合、これを一時的に排出する（これを水素パージという）と共に、水素パージされた水素を希釈器で希釈して、外部に排出する技術が提案されている（特許文献１参照）。
また、燃料電池の下流側に白金触媒を設け、この白金触媒の存在下で、水素と酸素を反応させて、水素濃度を低減させる技術が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００４−１２７７４９号公報（段落番号００１３〜００２０、図２、図３） 特開２００２−２８９２３７号公報（段落番号００６８、図１）

このように、燃料電池からの水素の濃度を低下させて排出することについては、更なる技術の向上が望まれている。また、特許文献１に記載の技術では、燃料電池の発電停止後、希釈器内の水素を希釈するために、燃料電池とは別の蓄電器（キャパシタ、二次電池など）等によりコンプレッサ（ポンプ）を作動し、希釈器に希釈用ガス（例えば空気）を供給するので、消費電力がかかっていた。すなわち、燃料電池の発電停止後、次回の燃料電池の発電開始時において、燃料電池が実際に発電するまでは、前記蓄電器からの電力を利用して、コンプレッサを作動したり、水素漏れをチェックする水素センサを起動するため、燃料電池の発電停止後に、蓄電器等の残量を減らしたくない要望がある。さらに、特許文献２に記載の技術は、白金触媒を備えるユニット（コンバスタ）を単独で備えており、システム構成が大きくなってしまうことがあった。

そこで、本発明は、燃料電池から排出された水素の濃度を低くして、外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置および排出ガス処理システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、燃料電池のアノードから排出された水素を内部に滞留させる滞留室を有する滞留器を備え、前記滞留した水素を希釈用ガスで希釈して排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、前記滞留した水素と反応することによって、水素を消費する水素消費ガスを前記滞留室に導入する水素消費ガス導入部と、前記導入された水素と前記水素消費ガスとの反応を促進させる触媒と、を備えたことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置である。

このような燃料電池の排出ガス処理装置によれば、水素と、水素消費ガス導入部から滞留器内に導入された水素消費ガス（後記する実施形態ではドライエア中の酸素）とが、触媒存在下で効率的に反応し、水素が消費される。これにより、滞留器内の水素の濃度が低下し、滞留器から高濃度の水素は排出されにくくなる。
そして、滞留器から排出された水素を、希釈用ガス（後記する実施形態ではカソードオフガス）でさらに希釈するため、水素の濃度を十分に低くして外部に排出することができる。
また、アノードから排出された水素が滞留室に導入されるとその流速が低下するため、水素に同伴する水分が自重により落下しやすくなる。これにより、滞留室において、水素と水分とが分離しやすくなる。
さらに、触媒を滞留器内に備えたことにより、従来のように、触媒を別ユニットで備えた場合と比較して、システム構成を小さくすることができる。これにより、燃料電池の排出ガス処理装置を燃料電池自動車などの移動体にも容易に搭載することも可能となる。
さらにまた、燃料電池の発電停止後に、例えば、水素消費ガスや希釈用ガスを供給するコンプレッサ等の作動を抑えても、触媒存在下で、水素と水素消費ガスとの反応は促進され、水素が消費される。したがって、燃料電池の発電停止後に、コンプレッサ等を作動させるための電力消費を抑えることができ、次回の燃料電池の起動に備えて、蓄電器の残量を確保することができる。

請求項２に係る発明は、前記水素消費ガスは前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの少なくとも一部であって、前記導入された水素消費ガスが、前記触媒に吹き付けられるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排出ガス処理装置である。

このような燃料電池の排出ガス処理装置によれば、燃料電池の通常発電時、燃料電池のカソードに供給される一般に水分量の少ない酸化剤ガス（例えば、圧縮した空気）が、水素消費ガスとして、滞留室に導入される。そして、この導入された水分量の少ない酸化剤ガスが、触媒に吹き付けられるように構成されているため、触媒は乾燥されると共に、触媒の表面等での結露は防止される。したがって、触媒は水分等の影響を受けることなく、燃料電池から排出された水素と、酸化剤ガス（水素消費ガス）とを反応させることができる。

請求項３に係る発明は、前記滞留室に導入された水素が吹き付けられることで、当該水素に同伴する水分を分離する水分分離手段を備え、前記触媒には前記水分分離手段によって水分が低下した水素が導かれることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の排出ガス処理装置である。

このような燃料電池の排出ガス処理装置によれば、水分分離手段によって、燃料電池のアノードから排出された水素に同伴する水分を分離することができる。そして、例えば、後記する実施形態のように、触媒を水素分離手段の上方に配置した場合、水素は一般のガスと比較して軽いという特性に基づいて、水分が分離された水素が上昇し触媒に導かれる。そして、水素と水素消費ガスとが効率的に反応することで、水素を消費し、水素の濃度を低下させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池の排出ガス処理装置と、前記触媒を加熱する触媒加熱手段と、前記触媒の温度を検知する触媒温度検知手段と、前記触媒加熱手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記触媒温度検知手段により前記触媒の温度を監視しながら、前記触媒加熱手段により前記触媒をその触媒活性温度となるように加熱することを特徴とする燃料電池の排出ガス処理システムである。

このような燃料電池の排出ガス処理システムによれば、制御手段は、触媒温度検知手段により触媒の温度を監視しながら、触媒加熱手段を制御して、触媒をその触媒活性温度となるように加熱することができる。このようにして、触媒はその活性が維持されているため、水素と水素消費ガスとの反応を効率的に促進することができる。

本発明によれば、燃料電池から排出された水素の濃度を低くして、外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置および排出ガス処理システムを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図２は、本実施形態に係る希釈器の斜視図である。図３は、希釈器に内蔵された仕切板および触媒の分解斜視図である。図４は、図２に示す希釈器の側断面図である。図５は、本実施形態に係る燃料電池システムに設定されたフローチャートである。図６は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャート、触媒の温度変化を示すグラフ、水素濃度変化を示すグラフである。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、燃料電池自動車は燃料電池１０の発電電力によって走行用の電動モータ（走行モータ）を回転させて走行するようになっている。
燃料電池システムＳは、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード１２に水素（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系２０と、燃料電池１０のカソード１３に空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給・排出するカソード系３０と、アノード系２０およびカソード系３０の下流位置でアノード系２０から排出される水素を希釈する希釈器４０（燃料電池の排出ガス処理装置）と、希釈器４０に内蔵された触媒４３を加熱する触媒加熱手段５０と、イグニッションスイッチ６１（以下、ＩＧ）と、これらを制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、制御装置）と、を主に備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、主として、一価の陽イオン交換型の電解質膜１１の両面を触媒（Ｐｔなど）が担持されたアノード１２（燃料極）およびカソード１３（空気極）で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体）と、ＭＥＡを挟持するセパレータとからなる単セルが、複数積層されることで構成された固体高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、ＰＥＦＣ）である。そして、アノード１２に水素が、カソード１３に空気がそれぞれ供給されると、前記ＭＥＡにおいて電位差が発生し、燃料電池１０の出力端子に接続した走行モータなど外部負荷からの電力要求に応じて、燃料電池１０が発電するようになっている。
また、各単セルには、その出力電圧（以下、セル電圧）を検知するセル電圧検知モニタ（図示しない）が接続されている。セル電圧検知モニタは、ＥＣＵ７０の制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は各単セルのセル電圧を監視するようになっている。

＜アノード系−水素供給側＞
アノード系２０の水素供給側は、下流側（燃料電池１０側）に向かって、水素が貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２と、エゼクタ２３とを主に備えている。水素タンク２１は配管２１ａを介して遮断弁２２に接続している。遮断弁２２は、後記するＥＣＵ７０の制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は遮断弁２２を適宜に開／閉するようになっている。また、遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３に接続しており、エゼクタ２３は配管２３ａを介して燃料電池１０のアノード１２に接続している。さらに、配管２２ａには減圧弁（図示しない）が設けられている。したがって、制御部７１が遮断弁２２を開くと、水素タンク２１から、減圧弁によって水素が所定に減圧された後、燃料電池１０のアノード１２に供給されるようになっている。

＜アノード系−水素排出側＞
アノード系２０の水素排出側は、水素パージ弁２４を主に備えている。水素パージ弁２４は、配管２４ａを介して、燃料電池１０のアノード１２の下流側に接続しており、燃料電池１０のアノード１２から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが、配管２４ａを水素パージ弁２４に向かって流れるようになっている。また、配管２４ａの途中位置は、配管２４ｂを介して、エゼクタ２３に接続している。さらに、水素パージ弁２４は、配管２４ｃを介して、希釈器４０に接続している。さらにまた、水素パージ弁２４は、ＥＣＵ７０の制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は水素パージ弁２４を適宜に開／閉するようになっている。

さらに説明すると、燃料電池１０を構成するいずれかの単セルのセル電圧が低いことにより、アノードオフガス中の水分量（つまり、アノード１２内の水分量）が高いと推定される場合（水素パージ時）、制御部７１は、水素パージ弁２４を開くようになっている。そうすると、水分量の高いアノードオフガスが配管２４ｃを介して希釈器４０に送られるようになっている。なお、水素パージ時に、希釈器４０に送られるアノードオフガスには、水素、水分の他に、水素の純度を低下させる窒素なども含まれている。
一方、各単セルのセル電圧が良好であることにより、アノードオフガス中の水分量（つまり、アノード１２内の水分量）が低いと推定される場合（通常発電時）、制御部７１は、水素パージ弁２４を閉じるようになっている。そうすると、未反応の水素を含むアノードオフガスがエゼクタ２３に戻されて、水素が循環し、水素が効率的に利用されるようになっている。
ただし、水素パージの方式はこれに限定されず、その他に例えば、間欠的に水素パージ弁２４を開く方式であってもよい。

＜カソード系−空気供給側＞
カソード系３０の空気供給側は、コンプレッサ３１（ポンプ、スーパーチャージャ）と、加湿器３２と、開閉弁３３とを主に備えている。コンプレッサ３１は、外気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガスとして、カソード１３に向けて送る機器であり、配管３１ａを介して加湿器３２に接続している。また、コンプレッサ３１は、後記するＥＣＵ７０の制御部７１と電気的に接続している。さらに、コンプレッサ３１は、燃料電池１０と、燃料電池１０とは別に搭載された蓄電器（キャパシタ、二次電池など）と接続しており、燃料電池１０が発電していない場合や、燃料電池１０の発電量が少ない場合は、蓄電器から電力が供給されて作動するようになっている。
加湿器３２は、例えば中空糸膜３２ａを内蔵しており、この中空糸膜３２ａによって、コンプレッサ３１からの空気と、カソード１３から排出された水分量の高いカソードオフガスとの間で水分交換し、コンプレッサ３１からの空気を加湿空気とする機器である。そして、加湿器３２は配管３２ｂを介してカソード１３に接続しており、加湿空気がカソード１３に送られるようになっている。

配管３１ａの途中位置は、配管３１ｂ、開閉弁３３、配管３３ａを介して希釈器４０に接続している。開閉弁３３は、制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は水素パージ弁２４の閉／開に連動して、開閉弁３３を開／閉するようになっている。すなわち、コンプレッサ３１の作動中に、制御部７１が開閉弁３３を開くと、カソード１３に供給される酸化剤ガスの一部であって、加湿器３２で加湿される前の乾燥した空気（以下、ドライエア）が、希釈器４０に供給されるようになっている。さらに説明すると、本実施形態における制御部７１による開閉弁３３の制御は、アノード系２０の水素パージ弁２４が閉じられる水素循環時に開閉弁３３は開かれ、一方、水素パージ弁２４が開かれる水素パージ時に開閉弁３３は閉じられ、希釈器４０から水素が逆流しないようになっている。
ただし、開閉弁３３を設けず、コンプレッサ３１が作動中はドライエアが希釈器４０に連続的に供給される構成としてもよい。その他、開閉弁３３の代わりに、ドライエアの流量を抑える絞り（オリフィス）や、流量を調整可能な流量調整弁を設けて、ドライエアの流量を調整して希釈器４０に連続的に供給する構成としてもよい。

＜カソード系−空気排出側＞
カソード系３０の空気排出側について説明すると、燃料電池１０のカソード１３は、配管３２ｃを介して加湿器３２に接続しており、カソード１３から排出された水分量の高いカソードオフガスが加湿器３２に送られるようになっている。そして、加湿器３２は配管３２ｄを介して希釈器４０に接続している。これにより、加湿器３２における水分交換により、その水分量が若干低下したカソードオフガスが、配管３２ｄを介して希釈器４０に供給されるようになっている。
また、配管３２ｃには、背圧弁（図示しない）が設けられており、その背圧を調整することで、燃料電池１０におけるアノード１２側の水素の圧力と、カソード１３側の空気の圧力とをバランスさせるようになっている。

＜希釈器＞
次に、図１に加えて、図２、図３、図４を参照して、希釈器４０について説明する。
図２および図４に示すように、希釈器４０は、滞留器４１と、滞留器４１内を所定に仕切る仕切板４２と、滞留器４１内に配置された触媒４３と、温度センサ４４（触媒温度検知手段）と、配管２４ｃの下流端部分（水素導入部）と、配管３３ａの下流端部分（水素消費ガス導入部）と、配管３２ｄの一部（第１希釈用ガス流通部）とを主に備えている。

［滞留器、仕切板］
滞留器４１は、外形が横向きの円柱状の筐体であって、内部空間を有している。仕切板４２は滞留器４１内に設けられており、前記内部空間を滞留器４１の軸方向に不完全に仕切っている。さらに説明すると、仕切板４２によって、滞留器４１の内部空間は上流側の滞留室４１ａと下流側の滞留室４１ｂとに区画されており、滞留室４１ａと滞留室４１ｂとは仕切板４２の上方で連通している（図４参照）。
また、滞留器４１内の滞留室４１ａ、４１ｂでは、これらにアノードオフガスが導入されるとその流路断面積が大きくなるため、流速が低下する。これにより、アノードオフガス中の水分（水素に同伴する水分）が自重により落下しやすくなっている。すなわち、滞留室４１ａ、４１ｂは、水素と水分とを分離する気液分離室としても機能している。

仕切板４２の下部４２ａには、配管２４ｃからのアノードオフガスが吹き付けられるように構成されている（矢印Ａ１参照）。これにより、アノードオフガスに含まれる水分、つまり、水素に同伴する水分が、仕切板４２の下部４２ａの表面に付着し、水分が分離するようになっている。すなわち、仕切板４２の下部４２ａは、水分分離手段として機能している。なお、分離された水分は、その自重によって、下部４２ａの表面を流れ落ち（矢印Ａ２参照）、最終的には、後記する水抜孔３２ｄ２から排出されるようになっている。一方、水分が分離された水素は、仕切板４２の上部４２ｂに設けられた触媒４３に導かれるようになっている（矢印Ａ３参照）。

［触媒］
触媒４３は、次の式（１）に示すように、アノード１２から排出された水素と、ドライエア中の酸素との反応（水素の燃焼反応）を促進させるための触媒である。このような触媒４３としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などから選択された少なくも１種を使用することができる。また、触媒４３は、触媒活性温度Ｔ１（例えば１００℃）を固有しており、この触媒活性温度Ｔ１は、後記するＥＣＵ７０の制御データ記憶部７２に記憶されている。
Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（１）

このような触媒４３は、仕切板４２の上部４２ｂの滞留室４１ａ側面に設けられており（図３、図４参照）、後記するように、ドライエアが吹き付けられるようになっている（図４、矢印Ａ４参照）。すなわち、触媒４３は、水分分離手段として機能する仕切板４２の下部４２ａの上方に位置しており、前記下部４２ａによって、水分が分離された水素が触媒４３に導かれるようになっている（図４、矢印Ａ３参照）。
また、触媒４３を滞留器４１内に備えたことにより、燃料電池システムＳの構成は、従来のように、触媒を別ユニットで備える場合と比較して、小さくなっている。

［温度センサ］
温度センサ４４は、触媒４３の実際の温度（以下、実測触媒温度Ｔ１１）を検知するセンサであり、適所に設けられている。また、温度センサ４４は、後記するＥＣＵ７０の制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は実測触媒温度Ｔ１１を監視するようになっている。

［水素導入部］
水素パージ時に未反応の水素を含むアノードオフガスが流通する配管２４ｃの下流端部分（水素導入部）は、滞留器４１の上流側の端板を貫通し、その先端が滞留室４１ａ内に延びている。そして、配管２４ｃの先端から吹き出すアノードオフガスが、仕切板４２の下部４２ａ（水分分離手段）に吹き付けられるように構成されている。

［水素消費ガス導入部］
ドライエア（酸化剤ガス、水素消費ガス）が流れる配管３３ａの下流端部分（水素消費ガス導入部）は、ドライエアを滞留器４１内に導く部分であって、滞留器４１の上流側の端板を貫通し、その先端が滞留室４１ａ内に延びている。そして、配管３３ａの先端から吹き出すドライエアが、触媒４３に吹き付けられるように構成されている。

このように導入されるドライエアは、希釈器４０において、主として、触媒４３を乾燥させるための乾燥ガス、水素を消費するための水素消費ガス、第２希釈用ガス、押出ガス、掃気ガスとして機能している。

さらに説明すると、燃料電池１０の通常発電時のコンプレッサ３１の作動中に、開閉弁３３が開かれると、ドライエアが触媒４３に吹き付けられ、ドライエアは触媒４３を乾燥する乾燥ガスとして機能している。これにより、触媒４３の表面等での結露は防止され、触媒４３は、水分等の影響を受けずに、滞留器４１内を滞留する水素と、ドライエア中の酸素との反応を効率的に促進させるようになっている。

次いで、水素パージ時にアノードオフガスが導入された後、引き続いて導入されたドライエアは、ドライエアに含まれる酸素と、アノードオフガスに含まれる水素とが反応し、水素を消費するための水素消費ガスとして機能している。これと共に、ドライエアは、滞留室４１ａを滞留する水素と混合し、水素とドライエアとが混合してなる混合ガスを形成すると共に水素を希釈し、水素濃度を低下させる第２希釈用ガスとして機能している。
その後、導入されたドライエアは、前記混合ガスを、水素排出口３２ｄ１を介して、配管３２ｄに押し出す押出ガスとして機能している。
さらにその後、導入されたドライエアは、前記混合ガスが押し出された後の滞留室４１ａ、４１ｂを掃気（例えば、滞留器４１内に結露した水分などを押し出すこと）し、滞留器４１内をドライエアに置換する掃気ガスとして機能している。

［希釈用ガス流通部］
カソードオフガス（第１希釈用ガス）が流通する配管３２ｄ（第１希釈用ガス流通部）は、滞留器４１の下部を軸方向に貫通している。そして、滞留器４１内の配管３２ｄには、水素排出口３２ｄ１が形成されており、水素排出口３２ｄ１によって、配管３２ｄ内のカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路と、滞留室４１ｂとが連通している。すなわち、水素排出口３２ｄ１は、滞留室４１ａ、４１ｂ内に滞留した水素とドライエアとの混合ガスを、前記カソードオフガス流路に排出する排出部として機能している。
そして、水素排出口３２ｄ１の下流側の配管３２ｄでは、水素排出口３２ｄ１から排出された混合ガスが、カソードオフガスでさらに希釈されるようになっており、その後、外部（外気中）に排気されるようになっている。
また、滞留器４１内の配管３２ｄには、複数の水抜孔３２ｄ２、３２ｄ２が適所に形成されている。そして、滞留器４１内の水が、水抜孔３２ｄ２、３２ｄ２を通って、カソードオフガスと共に外部に排出されるようになっている。

＜触媒加熱手段＞
図１に戻って説明を続ける。
触媒加熱手段５０は、希釈器４０に内蔵された触媒４３を適宜に加熱するための手段であって、ヒータ５１と、リレースイッチ５２と、電源５３とを主に備えている。ヒータ５１は、電熱式のヒータであって、触媒４３を加熱可能な仕切板４２の上部４２ｂ内に埋設されている（図３参照）。ヒータ５１はリレースイッチ５２を介して電源５３に接続しており、リレースイッチ５２がＯＮされると、電源５３からヒータ５１に通電し、ヒータ５１が発熱するようになっている。リレースイッチ５２は、制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は適宜にリレースイッチ５２をＯＮ／ＯＦＦ、つまり、ヒータ５１を適宜にＯＮ／ＯＦＦするようになっている。電源５３としては、例えば、燃料電池自動車に搭載されたバッテリ（二次電池）から電力や、回生時における走行モータの発電電力や、燃料電池１０の発電電力などを使用することができる。

ＩＧ６１は、燃料電池自動車（燃料電池システムＳ）の起動スイッチである。ＩＧ６１は、制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１はＩＧ６１のＯＮ／ＯＦＦに連動して、各種制御を行うようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０は、制御部７１（制御手段）と、制御データ記憶部７２（制御データ記憶手段）とを主に備えており、これらはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などから構成されている。

［制御部］
制御部７１は、遮断弁２２と、水素パージ弁２４と、コンプレッサ３１と、開閉弁３３と電気的に接続しており、これらを適宜に制御するようになっている。また、制御部７１は、温度センサ４４と電気的に接続しており、実測触媒温度Ｔ１１を監視するようになっている。さらに、制御部７１はリレースイッチ５２およびＩＧ６１と電気的に接続している。

［制御部−触媒活性判定機能］
制御部７１は、触媒４３が活性状態であるか否かを判定する「触媒活性判定機能」を備えている。具体的な判定方法は後述する。

［制御データ記憶部］
制御データ記憶部７２には、触媒４３に固有の触媒活性温度Ｔ１が記憶されている。また、制御データ記憶部７２は、制御部７１と電気的に接続しており、制御部７１は触媒活性温度Ｔ１を適宜に参照するようになっている。

ここで、本実施形態において、特許請求の範囲における「燃料電池の排出ガス処理システムＤ」は、滞留器４１を含む希釈器４０と、カソードオフガス（第１希釈用ガス）を希釈器４０に供給するためのコンプレッサ３１、配管３１ａ、配管３２ｂ、配管３２ｃおよび配管３２ｄを含む第１希釈用ガス供給手段と、滞留器４１にドライエア（水素消費ガス）を供給するためのコンプレッサ３１、配管３１ａ、配管３１ｂ、開閉弁３３および配管３３ａを含むドライエア供給手段（水素消費ガス供給手段）と、温度センサ４４（触媒温度検知手段）と、触媒加熱手段５０と、制御部７１（制御手段）を含むＥＣＵ７０と、を備えて構成されている。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、図５および図６を主に参照して、制御部７１に設定された制御フローチャートと共に、燃料電池システムＳの動作ついて説明する。なお、制御部７１は、ＩＧ６１がＯＮされると、図５に示す各ステップの処理を繰り返して行っている。

ステップＳ１０１において、制御部７１は、温度センサ４４を介して、実測触媒温度Ｔ１１を測定する。

＜触媒活性判定＞
ステップＳ１０２において、制御部７１は、ステップＳ１０１で測定した実測触媒温度Ｔ１１と、制御データ記憶部７２に記憶されている触媒活性温度Ｔ１とを比較して、触媒４３の活性状態を判定する。
具体的には、「実測触媒温度Ｔ１１≧触媒活性温度Ｔ１」の場合、触媒４３が良好な活性を有する状態にあると判定し（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進むようになっている。
一方、「実測触媒温度Ｔ１１＜触媒活性温度Ｔ１」の場合、触媒４３が良好な活性を有さないと判定し（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ステップＳ１０４に進むようになっている。ステップＳ１０４に進む場合は、燃料電池１０の起動時など触媒４３の温度が低い場合である。

ステップＳ１０３において、制御部７１は、ヒータ５１をＯＦＦする（リレースイッチ５２をＯＦＦ）。なお、リレースイッチ５２がＯＦＦの場合、継続してＯＦＦとする。
その後、処理はリターンに進んだ後、スタートに戻る。

ステップＳ１０４において、制御部７１は、ヒータ５１をＯＮ（リレースイッチ５２をＯＮ）して、ヒータ５１により触媒４３を加熱する。なお、リレースイッチ５２がＯＮの場合、継続してＯＮする。これにより、触媒４３は加熱されて、その温度が触媒活性温度Ｔ１に近づき、その活性が高められる。したがって、燃料電池１０の起動時などにおいても、早急に触媒４３の活性を高めることができ、水素の消費を促進し、高濃度の水素が排出されることを防止できる。
その後、処理はリターンに進んだ後、スタートに戻る。

すなわち、制御部７１に設定された制御フローチャートによれば、燃料電池システムＳの起動中、触媒４３の活性は良好に維持される。これにより、水素パージによって、燃料電池１０から排出され、滞留室４１ａに導入された水素を、ドライエア中の酸素と反応させることで消費し、滞留器４１内の水素濃度を低下させることができる。そして、このように水素濃度が低下したものを、水素排出口３２ｄ１の下流側においてカソードオフガスにより、さらに希釈することができるため、水素の濃度を十分に低くしたうえで、外部（外気中）に排出することができる。

［ＩＧ−ＯＦＦ後の希釈器内の水素濃度変化］
次に、図６を参照して、ＩＧ６１をＯＦＦし、燃料電池１０の発電を停止する直前に、水素パージ弁２４が開かれて水素パージがあった場合において、滞留器４１内および水素排出口３２ｄ１下流側の配管３２ｄ内の水素濃度の変化について説明する。
まず、前提として、ＩＧ６１のＯＦＦ時における触媒４３の実測触媒温度Ｔ１１は、前記したように図５に示す制御フローチャートに従って、所定の触媒活性温度Ｔ１以上に維持されている。その後、ＩＧ６１のＯＦＦに連動して、制御部７１はコンプレッサ３１をＯＦＦするため、図６に示すように、滞留器４１内の水素濃度が一時的に高くなるが、その後、良好な活性を有する触媒４３の存在下において、滞留器４１内を滞留する水素と、滞留器４１内に既に供給されていたドライエア中の酸素とが、前記した式（１）に従って反応し、水素が消費される。これにより、滞留器４１内の水素濃度は、触媒４３が無い場合に対して、徐々に低くなる。

したがって、水素排出口３２ｄ１下流側の配管３２ｄ内の水素濃度は高くならず、高濃度の水素が燃料電池自動車の外部に排出されることは防止される。これに対して、触媒４３が無い場合、水素が消費されずに水素は高濃度のまま滞留器４１内に存在すると共に、水素排出口３２ｄ１を通って配管３２ｄに流れ込むため、水素排出口３２ｄ１下流側の水素濃度が徐々に高くなる。

このように、希釈器４０（燃料電池の排出ガス処理装置）および燃料電池の排出ガス処理システムＤが組み込まれた燃料電池システムＳによれば、従来のように燃料電池１０の発電停止後（ＩＧ６１のＯＦＦ後）に、蓄電器（キャパシタ、二次電池など）の電力を利用してコンプレッサ３１を作動せずに、コンプレッサ３１をＯＦＦして電力消費を抑えつつ、蓄電器の残量を確保して、次回の燃料電池の起動時に備えることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

前記した実施形態では、希釈器４０（燃料電池の排出ガス処理装置）が組み付けられた燃料電池システムＳが燃料電池自動車に搭載された場合について例示したが、燃料電池システムの使用態様はこれに限定されず、その他に例えば、家庭用の据え置き型の燃料電池システムであってもよい。

前記した実施形態では、滞留器４１内に１枚の仕切板４２を設け、仕切板４２の上部４２ｂに触媒４３を配置する構成としたが、仕切板４２より下流側であって、水素排出口３２ｄ１との間に、当該間の流路が長くなるように（例えばジグザグ状の流路）、触媒４３を有する複数の仕切板４２を備える構成としてもよい。このように触媒４３を有する複数の仕切板４２をさらに設けた場合、各触媒４３において、水素と酸素とを効率的に反応させて水素を消費することができるため、滞留器４１内の水素濃度をさらに低下させことができる。これにより、水素排出口３２ｄ１を通って、配管３２ｄに排出される水素濃度も低下し、希釈器４０の外部に高濃度の水素が排出されることを確実に防止することができる。なお、このように触媒４３を有する仕切板４２を複数にて設ける場合、温度センサ４４、ヒータ５１なども対応して設けることが好ましい。

その他、仕切板４２の下流側に、複数の細孔を有し、その細孔を取り囲む内壁面に触媒４３が担持されたハニカム体を設けると共に、水素と酸素を含むドライエアの混合ガスがこの細孔を通るように構成して、水素の消費が促進されるようにしてもよい。

前記した実施形態では、仕切板４２の下部４２ａが水素および水分を含むアノードオフガスが吹き付けられることによって、水素と水分を分離する水分分離手段として機能する場合について説明したが、この他に例えば、仕切板４２の上流側位置であって、アノードオフガスを吹き出す配管２４ｃの下流開口の近傍に、仕切板４２とは別に水分分離板を設けて、この水分分離板にアノードオフガスが吹き付けられる構成としてもよい。また、このように仕切板４２の上流側に水分分離板を設けた場合、水分が分離された水素を触媒４３に導くガイドをさらに設ける構成としてもよい。

前記した実施形態では、触媒４３が仕切板４２の上部４２ｂに設けられ、この上部４２ｂに埋設されたヒータ５１によって、触媒４３が加熱される構成としたが、触媒４３を加熱可能であれば、触媒４３とヒータ５１の位置関係はこれに限定されない。例えば、ヒータ５１の表面に触媒４３を含む触媒スラリを塗布し、ヒータ５１の表面を触媒４３で被覆する構成としてもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本実施形態に係る希釈器の斜視図である。 希釈器に内蔵された仕切板および触媒の分解斜視図である。 図２に示す希釈器の側断面図である。 本実施形態に係る燃料電池システムに設定されたフローチャートである。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャート、触媒の温度変化を示すグラフ、水素濃度変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ 燃料電池
１２ アノード
３１ コンプレッサ（ドライエア供給手段、希釈用ガス供給手段）
３１ａ 配管（ドライエア供給手段、希釈用ガス供給手段）
３１ｂ、３３ａ 配管（ドライエア供給手段）
３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 配管（希釈用ガス供給手段）
４０ 希釈器（燃料電池の排出ガス処理装置）
４１ 滞留器
４１ａ、４１ｂ 滞留室
４２ 仕切板
４２ａ 下部（水分分離手段）
４３ 触媒
４４ 温度センサ（触媒温度検知手段）
５０ 触媒加熱手段
５１ ヒータ
７０ ＥＣＵ
７１ 制御部（制御手段）
Ｄ 排出ガス処理システム
Ｓ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 燃料電池のアノードから排出された水素を内部に滞留させる滞留室を有する滞留器を備え、前記滞留した水素を希釈用ガスで希釈して排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、
   前記滞留した水素と反応することによって、水素を消費する水素消費ガスを前記滞留室に導入する水素消費ガス導入部と、
   前記導入された水素と前記水素消費ガスとの反応を促進させる触媒と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
2. 前記水素消費ガスは前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの少なくとも一部であって、
   前記導入された水素消費ガスが、前記触媒に吹き付けられるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
3. 前記滞留室に導入された水素が吹き付けられることで、当該水素に同伴する水分を分離する水分分離手段を備え、
   前記触媒には前記水分分離手段によって水分が低下した水素が導かれることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池の排出ガス処理装置と、
   前記触媒を加熱する触媒加熱手段と、
   前記触媒の温度を検知する触媒温度検知手段と、
   前記触媒加熱手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記触媒温度検知手段により前記触媒の温度を監視しながら、前記触媒加熱手段により前記触媒をその触媒活性温度となるように加熱することを特徴とする燃料電池の排出ガス処理システム。

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