JP2006351520A - 燃料電池の排出ガス処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】作製の作業性を向上でき、希釈性能を確保することができる燃料電池の排出ガス処理装置を提供する。
【解決手段】アノードオフガスと希釈ガスとを供給され、前記アノードオフガスを前記希釈ガスと混合希釈する容器51を備え、該容器51にそれぞれ形成されたアノードオフガス供給口52aおよび希釈ガス供給口58と混合ガス排出口61との間に、容器内空間を部分的に仕切る仕切部53を少なくとも1つ有する。容器51は、上側容器部材62と下側容器部材63とで構成される。仕切部53は、上側仕切板片64と下側仕切板片65とで構成される。
【選択図】図2
【解決手段】アノードオフガスと希釈ガスとを供給され、前記アノードオフガスを前記希釈ガスと混合希釈する容器51を備え、該容器51にそれぞれ形成されたアノードオフガス供給口52aおよび希釈ガス供給口58と混合ガス排出口61との間に、容器内空間を部分的に仕切る仕切部53を少なくとも1つ有する。容器51は、上側容器部材62と下側容器部材63とで構成される。仕切部53は、上側仕切板片64と下側仕切板片65とで構成される。
【選択図】図2
Description
本発明は、燃料電池から排出されるガスを希釈処理する燃料電池の排出ガス処理装置に関するものである。
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るものがある。この種の燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス(例えば水素ガス)を供給し、カソードに酸化剤ガス(例えば酸素を含む空気)を供給して、これら反応ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この燃料電池では、発電に伴ってカソード側で水が生成され、この生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側にも浸入する。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入する。アノード側におけるこれら水分や窒素等の不純物は、燃料電池の発電を不安定にする虞がある。
この燃料電池では、発電に伴ってカソード側で水が生成され、この生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側にも浸入する。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入する。アノード側におけるこれら水分や窒素等の不純物は、燃料電池の発電を不安定にする虞がある。
特に、燃料の利用率を上げるために燃料電池から排出される未反応の水素(アノードオフガス)をリサイクルさせて新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する循環型の燃料電池システムでは、アノード側の前記不純物濃度が徐々に高まる傾向にある。
そこで、この種の燃料電池では、アノードオフガスが循環するアノードオフガス循環路から定期的に排出弁を開放して前記不純物を含むアノードオフガスを排出し、アノードオフガス中の不純物濃度を低減させている。
そこで、この種の燃料電池では、アノードオフガスが循環するアノードオフガス循環路から定期的に排出弁を開放して前記不純物を含むアノードオフガスを排出し、アノードオフガス中の不純物濃度を低減させている。
このアノードオフガス循環路から排出されるアノードオフガスを外部(大気)に排出する際には、排出ガス処理装置によって、希釈ガス(例えば、カソードから排出されるカソードオフガスとしての空気)で前記アノードオフガスを希釈し、水素濃度を低減してから排出している。
特許文献1には従来の排出ガス処理装置の一例が開示されている。この排出ガス処理装置では、カソードオフガスを分岐して希釈器に導入して希釈器内のアノードガスを少量ずつ希釈して、少量ずつ車外に排出している。
特開2002−289237号公報
特許文献1には従来の排出ガス処理装置の一例が開示されている。この排出ガス処理装置では、カソードオフガスを分岐して希釈器に導入して希釈器内のアノードガスを少量ずつ希釈して、少量ずつ車外に排出している。
ところで、特許文献1にも示されているように、希釈器を構成する筐体内に遮蔽板(仕切板)を設けて、ガス流路を蛇行させるように構成すると、容積を一定に保持しつつガス流路を長くして希釈効率を向上できる点で好ましい。
しかしながら、従来の技術では、筐体内に遮蔽板を所定位置に設けることは困難であり、製作に手間と時間を要するという問題がある。すなわち、筐体内に遮蔽板を設けるにあたっては、強度を確保するために溶接処理で行うことが望ましいが、従来においては筐体の一面をくり抜いた状態で仕切板を挿入して溶接しているので、仕切板の位置決めが困難である。さらに、筐体内部の閉塞空間内で溶接処理を行う必要があるので、作製に手間と時間を要し、作業性が低下してしまう。
本発明は、作製の作業性を向上でき、希釈性能を確保することができる燃料電池の排出ガス処理装置を提供することを目的とする。
しかしながら、従来の技術では、筐体内に遮蔽板を所定位置に設けることは困難であり、製作に手間と時間を要するという問題がある。すなわち、筐体内に遮蔽板を設けるにあたっては、強度を確保するために溶接処理で行うことが望ましいが、従来においては筐体の一面をくり抜いた状態で仕切板を挿入して溶接しているので、仕切板の位置決めが困難である。さらに、筐体内部の閉塞空間内で溶接処理を行う必要があるので、作製に手間と時間を要し、作業性が低下してしまう。
本発明は、作製の作業性を向上でき、希釈性能を確保することができる燃料電池の排出ガス処理装置を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明は、アノードオフガスと希釈ガスとを供給され、前記アノードオフガスを前記希釈ガスと混合希釈する容器(例えば、実施の形態における希釈容器51)を備え、該容器にそれぞれ形成されたアノードオフガス供給口(例えば、実施の形態におけるアノードオフガス放出孔52a)および希釈ガス供給口(例えば、実施の形態における希釈ガス放出孔58)と混合ガス排出口(例えば、実施の形態における混合ガス排出孔61)との間に、容器内空間を部分的に仕切る仕切部(例えば、実施の形態における仕切部53)を少なくとも1つ有し、該容器は、第1容器部材(例えば、実施の形態における上側容器部材62)と第2容器部材(例えば、実施の形態における下側容器部材63)とで構成され、該仕切部は、第1容器部材の第1仕切板片(例えば、実施の形態における上側仕切片64)と第2容器部材の第2仕切板片(例えば、実施の形態における下側仕切片65)とで構成されることを特徴とする。
この発明によれば、前記第1容器部材と前記第2容器部材とで前記容器を構成することで、前記容器を各部材に分割した状態で前記仕切部を形成することができ、位置決めを容易に行うことができる。そして、前記第1仕切板片と前記第2仕切板片とで前記仕切部を形成することで、各仕切片をそれぞれの容器部材に個別に位置決めして取り付け処理が行える。従って、各仕切片をそれぞれの容器部材の開口面側から取り付けることができるので、強度的に有利な溶接処理で固着する場合であっても、作製の手間と時間を大幅に短縮できる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のものであって、前記第1仕切片と前記第1容器部材との間、または、前記第2仕切片と前記第2容器部材との間、の少なくともいずれか一方に、ガス流通口(例えば、実施の形態における切り欠き部68)を形成することを特徴とする。
この発明によれば、前記ガス流通口の形成された前記仕切片と前記容器部材との接触面積が前記ガス流通口の形成により低減できるので、前記ガス流通口の形成された前記仕切片と前記容器部材との取付作業が容易になる。また、この場合であっても、強度的に有利な溶接処理で取付を行うことができ、剛性を向上することができる。
この発明によれば、前記ガス流通口の形成された前記仕切片と前記容器部材との接触面積が前記ガス流通口の形成により低減できるので、前記ガス流通口の形成された前記仕切片と前記容器部材との取付作業が容易になる。また、この場合であっても、強度的に有利な溶接処理で取付を行うことができ、剛性を向上することができる。
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載のものであって、前記第1容器部材または前記第2容器部材のいずれか一方にのみ、前記アノードオフガス供給口、前記希釈ガス供給口、前記混合ガス排出口のそれぞれが形成されるとともに、それぞれに接続される配管(例えば、実施の形態における希釈ガス管57、アノードオフガス導入管52)が配設されていることを特徴とする。
この発明によれば、いずれか一方の容器部材に前記配管を配設した状態で、他方の容器部材との組み付け処理を行うことができるので、燃料電池システムへの前記容器の装着を容易に行うことができる。さらに、前記容器内に配設された配管の修理や点検が必要となったときには、双方の容器部材を取り外さなくても、前記他方の容器部材を取り外せば前記配管の修理や点検作業を容易に行うことができる。
この発明によれば、いずれか一方の容器部材に前記配管を配設した状態で、他方の容器部材との組み付け処理を行うことができるので、燃料電池システムへの前記容器の装着を容易に行うことができる。さらに、前記容器内に配設された配管の修理や点検が必要となったときには、双方の容器部材を取り外さなくても、前記他方の容器部材を取り外せば前記配管の修理や点検作業を容易に行うことができる。
請求項4に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載のものであって、前記アノードオフガス供給口と前記希釈ガス供給口は、前記仕切部に対向する同一側面(例えば、実施の形態における端板51a)に形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、それぞれの供給口から供給されるアノードオフガスおよび希釈ガスが前記仕切部に衝突することで流れの向きを変え、且つ、仕切部に衝突することによって流速を低下させ、適度な流速で拡散していくため、供給されるガス同士の混合を促進することができる。
この発明によれば、それぞれの供給口から供給されるアノードオフガスおよび希釈ガスが前記仕切部に衝突することで流れの向きを変え、且つ、仕切部に衝突することによって流速を低下させ、適度な流速で拡散していくため、供給されるガス同士の混合を促進することができる。
請求項1に係る発明によれば、排出ガス処理装置の作製の作業性を向上でき、希釈性能を確保することができる。
請求項2に係る発明によれば、前記ガス流通口の形成された前記仕切片と前記容器部材との取付作業が容易になる。
請求項2に係る発明によれば、前記ガス流通口の形成された前記仕切片と前記容器部材との取付作業が容易になる。
請求項3に係る発明によれば、燃料電池システムへの前記容器の装着を容易に行うことができ、配管の修理や点検作業を容易に行うことができる。
請求項4に係る発明によれば、供給されるガス同士の混合を促進することができる。
請求項4に係る発明によれば、供給されるガス同士の混合を促進することができる。
以下、この発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置の実施例を図1から図5の図面を参照して説明する
図1は、この発明に係る排出ガス処理装置を備えた燃料電池システムの概略構成図であり、この実施例では燃料電池車両に搭載されている。
燃料電池1は、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜2をアノード3とカソード4とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており(図1では単セルのみを示す)、アノード3に燃料ガスとして水素ガス(反応ガス)を供給し、カソード4に酸化剤ガスとして酸素(反応ガス)を含む空気を供給すると、アノード3で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜2を通過してカソード4まで移動して、カソード4で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜2を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
図1は、この発明に係る排出ガス処理装置を備えた燃料電池システムの概略構成図であり、この実施例では燃料電池車両に搭載されている。
燃料電池1は、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜2をアノード3とカソード4とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており(図1では単セルのみを示す)、アノード3に燃料ガスとして水素ガス(反応ガス)を供給し、カソード4に酸化剤ガスとして酸素(反応ガス)を含む空気を供給すると、アノード3で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜2を通過してカソード4まで移動して、カソード4で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜2を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
空気はコンプレッサ7により所定圧力に加圧され、空気供給路8を通って燃料電池1のカソード4に供給される。燃料電池1に供給された空気は発電に供された後、燃料電池1からカソード側の生成水と共に空気排出路9に排出され、圧力制御弁10を介して排出ガス処理装置50に導入される。以下、燃料電池1に供給される供給空気、または、燃料電池1から排出される排出空気を希釈ガスとする。
一方、水素タンク15から供給される水素ガスは水素ガス供給路17を流通し、その途中でレギュレータ16によって所定圧力に減圧され、流量制御弁23により所定流量に制御され、エゼクタ19を通って燃料電池1のアノード3に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池1からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス路18を通ってエゼクタ19に吸引され、水素タンク15から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池1のアノード3に供給される。すなわち、燃料電池1から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス路18、およびエゼクタ19よりも下流の水素ガス供給路17を通って、燃料電池1を循環する。なお、この実施例において、エゼクタ19よりも下流の水素ガス供給路17とアノードオフガス路18は燃料ガス循環路20を構成する。
アノードオフガス路18からは、排出弁21を備えたアノードオフガス排出路22が分岐しており、アノードオフガス排出路22は排出ガス処理装置50に接続されている。この排出ガス処理装置50において、アノードオフガス排出路22から排出されたアノードオフガスは、空気排出路9から排出された排出空気によって希釈され、混合ガス排出路30を介して排出部へ排出される。なお、排出空気とともに、または、排出空気に換えて、供給空気によってアノードオフガスを希釈してもよい。
燃料電池1の発電で得られた電力は車両駆動用モータ(図示略)などの負荷に供給される。
また、コンプレッサ7の回転数、圧力制御弁10および流量制御弁23の開度、排出弁21の開閉は、電子制御ユニット(以下、ECUと略す)40により制御される。
また、コンプレッサ7の回転数、圧力制御弁10および流量制御弁23の開度、排出弁21の開閉は、電子制御ユニット(以下、ECUと略す)40により制御される。
このように構成された燃料電池システムにおいては、連続運転をしていると、前述したように燃料ガス循環路20を流通する水素ガス中の不純物(水分や窒素など)の濃度が高まってきて燃料電池1の発電が不安定になる場合がある。
そのため、この燃料電池システムでは、ECU40により、燃料電池システムが一定時間連続運転したと判断されたとき、あるいは、燃料電池1の発電の安定性が低下したと判断されたときに、不純物排出要求ありと判断して排出弁21を開き、不純物を含むアノードオフガスをアノードオフガス路18からアノードオフガス排出路22を介して排出ガス処理装置50に排出し、燃料電池1のアノード3を流通する水素ガス中の不純物濃度を所定値以下となるように管理して、燃料電池1の発電を安定した状態に保持する。
そのため、この燃料電池システムでは、ECU40により、燃料電池システムが一定時間連続運転したと判断されたとき、あるいは、燃料電池1の発電の安定性が低下したと判断されたときに、不純物排出要求ありと判断して排出弁21を開き、不純物を含むアノードオフガスをアノードオフガス路18からアノードオフガス排出路22を介して排出ガス処理装置50に排出し、燃料電池1のアノード3を流通する水素ガス中の不純物濃度を所定値以下となるように管理して、燃料電池1の発電を安定した状態に保持する。
次に、排出ガス処理装置50の構成を図2から図3の図面を参照して詳述する。排出ガス処理装置50は、密閉角筒状の希釈容器51を備えている。希釈容器51は、その軸心(この場合は希釈容器51の長手方向であって、端板51a、51bの重心を通る軸)を略水平方向に沿わせた姿勢で車両に設置されており、軸心方向の全長に亘って、軸心方向に直交する断面形状が同一の矩形状をなしている。
希釈容器51の軸心方向一端側の端板51aには、軸心を希釈容器51の軸心よりも若干下方において水平姿勢に配置されたアノードオフガス導入管52が貫通固定されている。希釈容器51内に挿入されたアノードオフガス導入管52の先端はアノードオフガス放出孔52aにされている。このアノードオフガス導入管52の基端にアノードオフガス排出路22が接続されており、排出弁21が開いたときにアノードオフガスがアノードオフガス放出孔52aから希釈容器51内に導入される。
また、希釈容器51の内部には、アノードオフガス導入管52の先端よりも前方であって希釈容器51の軸心方向略中央に、仕切部53が略鉛直姿勢に立設されている。仕切部53はその上部を間欠的に切り欠いた形状をなし、その切り欠き部68を除いて希釈容器51の内面に密接して例えば溶接により固定されている。希釈容器51内は仕切部53によって、アノードオフガス導入管52および後述する希釈ガス放出孔58に連通する上流室54と、後述する混合ガス排出孔61に連通する下流室55に区画され、切り欠き部68よりも上側は上流室54と下流室55とを連通する連通ガス路56となる。
仕切部53の切り欠き部68は希釈容器51の軸心よりも十分上方に位置しており、アノードオフガス導入管52の軸心延長上にも仕切部53が存在する。したがって、図2に示すように、アノードオフガス放出孔52aから放出されるアノードオフガスの多くは仕切部53に向かって放出されることとなる。
仕切部53の切り欠き部68は希釈容器51の軸心よりも十分上方に位置しており、アノードオフガス導入管52の軸心延長上にも仕切部53が存在する。したがって、図2に示すように、アノードオフガス放出孔52aから放出されるアノードオフガスの多くは仕切部53に向かって放出されることとなる。
さらに、希釈容器51には、軸心方向一端側の端板51aから他端側の端板51bに貫通する希釈ガス管(希釈ガス路)57が、希釈容器51の内面の最下部(内底部)に沿って固定されている。この希釈ガス管57は仕切部53をも貫通している。希釈ガス管57は、その上流側端部57aに空気排出路9が接続され、下流側端部57bに混合ガス排出路30が接続されており、燃料電池1のカソードから空気排出路9に排出された排出空気は、希釈ガス管57を通り、混合ガス排出路30を通って排出部に排出される。
希釈ガス管57において上流室54内に収容されている部分には、端板51aの近傍に、希釈ガス放出孔58が設けられている。希釈ガス放出孔58は希釈ガス管57の頂部に開口しており、アノードオフガス導入管52のアノードオフガス放出孔52aよりも端板51aに接近した位置に設けられている。この希釈ガス放出孔58は、希釈ガス管57を流通する排出空気の一部を上流室54に放出する。なお、この実施例では、希釈ガス放出孔58を希釈ガス管57に直接設けているので、希釈ガス放出孔58自身が希釈ガス放出孔58と希釈ガス管57との連通部を兼ねている。
また、希釈ガス管57において上流室54内に収容されている部分には、希釈ガス放出孔58よりも下流側に、希釈ガス管57の上部を凹ませて開口面積を縮小させた絞り部59が設けられている。この絞り部59の絞り具合(開口面積)によって、希釈ガス放出孔58から上流室54内に導入される排出空気流量を調整することができる。
なお、この実施例においては、希釈ガス管57は絞り部59を除き同一管径に形成されている。
なお、この実施例においては、希釈ガス管57は絞り部59を除き同一管径に形成されている。
さらに、希釈ガス管57において絞り部59よりも下流側には、上流室54と下流室55のそれぞれに収容されている部分に、排液孔60が設けられ、アノードオフガス排出路22内これら排液孔60を介して希釈ガス管57内に吸い込まれる。
なお、この実施例では、排液孔60を希釈ガス管57に直接設けているので、排液孔60自身が排液孔60と希釈ガス管57との連通部を兼ねている。
なお、この実施例では、排液孔60を希釈ガス管57に直接設けているので、排液孔60自身が排液孔60と希釈ガス管57との連通部を兼ねている。
また、希釈ガス管57において下流室55内に収容されている部分には、排液孔60よりも下流側であって端板51bの近傍に、混合ガス排出孔61が設けられている。混合ガス排出孔61は希釈ガス管57の頂部に開口しており、この混合ガス排出孔61を介して下流室55内のガスが希釈ガス管57内に排出される。
なお、この実施例では、混合ガス排出孔61を希釈ガス管57に直接設けているので、混合ガス排出孔61自身が混合ガス排出孔61と希釈ガス管57との連通部を兼ねている。
なお、この実施例では、混合ガス排出孔61を希釈ガス管57に直接設けているので、混合ガス排出孔61自身が混合ガス排出孔61と希釈ガス管57との連通部を兼ねている。
希釈容器51は、上側容器部材62と下側容器部材63とで構成される。これについて図3を用いて説明する。図3(a)は上側容器部材62の斜視図であり、図3(b)は下側容器部材63の斜視図である。同図に示すように、両部材62、63は、有底の端面が開口された容器状に形成された本体と、該本体の先端から外方に屈曲するフランジ部66、67とをそれぞれ有している。そして、両部材62、63は、互いのフランジ部66、67が対向するように、互いに向かい合わされた状態で配設され、それぞれのフランジ部66、67に溶接処理が施されまたはねじ止めされて一体化している。なお、それぞれのフランジ部66、67の間にはシール部材を介装してもよい。
そして、上側容器部材62には上側仕切板片64が、下側容器部材63には下側仕切板片65が、希釈容器51の軸心方向中央部で互いの開口部から突出するようにそれぞれ溶接処理により固着されている。また、上側仕切板片64には、その上面に切り欠き部68が形成されている。さらに、それぞれの仕切板片64、65は、互いの先端部(開口部からの突出部分)が重なり合うようにして保持され、これらの仕切板片64、65により仕切部63が構成されている。
このように、希釈容器51を上側容器部材62と下側容器部材63とで構成し、仕切部53を上側仕切片64と下側仕切片65とで構成することで、それぞれの部材62、63に仕切片64、65を精度良く位置決めすることができる。そして、それぞれの部材62、63に仕切片64、65を位置決めした状態で、部材62、63の開口部より、部材62、63と仕切片64、65とのそれぞれの接触部位69、70に仕切片64、65の両側から取付処理を行うことができる。従って、強度的に有利な溶接処理で固着する場合であっても、作製の手間と時間を大幅に短縮できる。また、部材62、63と仕切片64、65とを溶接処理で固着することにより、希釈容器51の耐圧強度を向上できる。つまり、希釈容器51の断面形状を耐圧性の高い円形に限定することなく、システムに必要な形状をとることが可能となる。さらに、作製された仕切部53の強度を向上できる。ゆえに、前記仕切部53により区画される前記容器51内のガス流路の長さを一定以上に保持でき、これにより、希釈性能を確保することができる。本実施の形態では、前記上側仕切片4と前記下側仕切片65のそれぞれの先端部が一部重なるようにして仕切部53を構成しているので、上側仕切片64と下側仕切片65との間を混合ガスが通過することを防止することが出来る。
また、上側仕切片64に形成された切り欠き部68をガスの流通口としているので、上側仕切片64と上側容器部材62との接触面積が切り欠き部68の形成により低減できる。従って、溶接処理に必要な部位を減少できるので、上側仕切片64に必要な剛性を確保しつつ、上側仕切片64と上側容器部材62との取付作業が容易になる。
さらに、本実施の形態では、下側容器部材63にのみ、希釈ガス管57、アノードオフガス導入管52が配設され、希釈ガス管57には希釈ガス放出孔58や混合ガス排出孔61が、アノードオフガス導入管52にはアノードオフガス導入孔52aが形成されている。このように構成したことで、下側容器部材63に前記配管57、52を配設した状態で、上側容器部材62との組み付け処理を行うことができるので、燃料電池システムへの希釈容器51の装着を容易に行うことができる。さらに、希釈容器51内に配設された配管57、52の修理や点検が必要となったときには、前記上側容器部材62を取り外せば作業を行うことができるので、ハンドリングを容易化することができる。
次に、この排出ガス処理装置50の作用を説明する。
この排出ガス処理装置では、コンプレッサ7から燃料電池1のカソード4に空気を供給している間は常時、燃料電池1のカソード4から排出される排出空気が、空気排出路9および圧力制御弁10を介して排出ガス処理装置50の希釈ガス管57に導入され、該希釈ガス管57を混合ガス排出路30に向かって流通しており、希釈ガス管57を流通する排出空気の一部が希釈ガス放出孔58から上流室54内に放出される。
この排出ガス処理装置では、コンプレッサ7から燃料電池1のカソード4に空気を供給している間は常時、燃料電池1のカソード4から排出される排出空気が、空気排出路9および圧力制御弁10を介して排出ガス処理装置50の希釈ガス管57に導入され、該希釈ガス管57を混合ガス排出路30に向かって流通しており、希釈ガス管57を流通する排出空気の一部が希釈ガス放出孔58から上流室54内に放出される。
一方、アノードオフガスは、前述したように、ECU40が不純物排出要求ありと判断したときに排出弁21が開いて、アノードオフガス路18から間欠的に排出され、アノードオフガス排出路22を介して排出ガス処理装置50のアノードオフガス導入管52に導入され、アノードオフガス放出孔52aから上流室54内に放出される。
したがって、アノードオフガス放出孔52aから上流室54にアノードオフガスが放出されていないとき(すなわち、排出弁21が閉じているとき)には、希釈容器51内の圧力は殆ど上昇しないが、排出弁21が開いてアノードオフガス放出孔52aから上流室54にアノードオフガスが放出されたときには急激に希釈容器51の内圧が高まる。すなわち、アノードオフガスの排出周期に合わせて、希釈容器51内の圧力変化がある。
この実施例における希釈容器51の仕切部53は、部材62、63と仕切片64、65とを溶接処理で固着することにより、その強度、引いては、耐圧性を向上できる。従って、希釈容器51は内圧に対しても、希釈容器の呼吸による変形(繰り返し応力)に対しても、極めて機械的強度(耐圧強度)が高く、特別な補強構造なしで十分に耐えることができる。そして、特別な補強構造が必要ないので、排出ガス処理装置50の製造も容易になる。
アノードオフガス放出孔52aから放出されたアノードオフガスは、仕切部53に衝突して流れの向きを変え、且つ、仕切部53に衝突することによって流速を低下させ、適度な流速で上流室54内のほぼ全体に広がっていく。これにより、上流室54内においてアノードオフガスは排出空気と一部混合されながら、連通ガス路56を通って下流室55へ流入し、混合ガス排出孔61へ向かって流れていく。この間にも上流室54から流入する混合ガスと下流室55内のガスとの混合がさらに行われる。そして、下流室55のガスは混合ガス排出孔61から希釈ガス管57に排出され、希釈ガス管57を流通する排出空気と混合され、さらに希釈されて排出される。
この実施例では、仕切部53を設けたことにより希釈容器51内でのガスの移動距離を長くすることができる。さらに、希釈ガス放出孔58を希釈容器51における軸心方向の一端部近傍に配置し、混合ガス排出孔61を希釈容器51における軸心方向の他端部近傍に配置したことによっても、希釈容器51内でのガスの移動距離を長くすることができる。その結果、希釈容器51内でのガスの滞留時間を稼ぐことができ、希釈に必要な時間を確保することができるので、アノードオフガスを確実に希釈することができる。
また、前述したように、希釈ガス管57において希釈ガス放出孔58の下流に設けた絞り部59の絞り具合(開口面積)で、希釈ガス放出孔58から上流室54内に導入される排出空気流量を調整することができるので、この絞り部59の絞り具合(開口面積)を所定に設定することにより、希釈ガス放出孔58から上流室54内に放出される希釈ガス流量を、アノードオフガスの希釈に最適な流量に設定することができ、アノードオフガスを十分に希釈して排出することができる。
また、前述したように希釈容器51に導入されるアノードオフガス中には、液体あるいは気体(蒸気)の状態で水分が含まれている。
さらに、この実施例では、アノードオフガス導入管52からアノードオフガスを仕切板53に向かって放出しているので、アノードオフガスに含まれる液体は、仕切板53に衝突して付着し、鉛直姿勢の仕切板53を伝わって落下していく。また、アノードオフガス中の蒸気も仕切板53に衝突することで凝縮を促進され、この凝縮液も鉛直姿勢の仕切板53を伝わって落下していく。つまり、仕切板53はアノードオフガス中の水分を補足し、希釈容器51の下方に集合させ易くする。
さらに、この実施例では、アノードオフガス導入管52からアノードオフガスを仕切板53に向かって放出しているので、アノードオフガスに含まれる液体は、仕切板53に衝突して付着し、鉛直姿勢の仕切板53を伝わって落下していく。また、アノードオフガス中の蒸気も仕切板53に衝突することで凝縮を促進され、この凝縮液も鉛直姿勢の仕切板53を伝わって落下していく。つまり、仕切板53はアノードオフガス中の水分を補足し、希釈容器51の下方に集合させ易くする。
このようにして希釈容器51の内底部に集められた液体は、排液孔60から希釈ガス管57内に吸引され、混合ガスとともに混合ガス排出路30に排出される。
この実施例では、排液孔60が希釈ガス管57の下半部であって希釈容器の内底部に接近した位置に設けられているので、希釈容器51の底部に溜まった液体を排出し易くでき、排出されずに希釈容器51内に残留する液体を減らすことができるため、排液性能が向上する。
また、この実施例では、排液孔60の直ぐ上流に絞り部59が設けられているので、液体を吸引する吸引力を大きくすることができ、希釈容器51に溜まった液体を効果的に吸い込むことができる。そのため、液体を速やかに排出することができる。吸引力が大きくすることができるのは、絞り部59より上流側よりも下流側の方が圧力が低いためである。
この実施例では、排液孔60が希釈ガス管57の下半部であって希釈容器の内底部に接近した位置に設けられているので、希釈容器51の底部に溜まった液体を排出し易くでき、排出されずに希釈容器51内に残留する液体を減らすことができるため、排液性能が向上する。
また、この実施例では、排液孔60の直ぐ上流に絞り部59が設けられているので、液体を吸引する吸引力を大きくすることができ、希釈容器51に溜まった液体を効果的に吸い込むことができる。そのため、液体を速やかに排出することができる。吸引力が大きくすることができるのは、絞り部59より上流側よりも下流側の方が圧力が低いためである。
また、この実施例においては、希釈ガス放出孔58、混合ガス排出孔61、排液孔60がいずれも希釈ガス管57に直接設けられているので、排出ガス処理装置の構造が簡単になる。
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例においては、仕切部は1箇所のみであったが、これを複数箇所に形成してもよい。例えば、図4、図5に示す第1変形例のように、仕切部53と端板51a、51bとの間に、下側容器部材65に切り欠き部68を形成した仕切部53、53を配置して、希釈容器51内で3段に折り返すガス流路を形成してもよい。
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例においては、仕切部は1箇所のみであったが、これを複数箇所に形成してもよい。例えば、図4、図5に示す第1変形例のように、仕切部53と端板51a、51bとの間に、下側容器部材65に切り欠き部68を形成した仕切部53、53を配置して、希釈容器51内で3段に折り返すガス流路を形成してもよい。
図6は、排出ガス処理装置の第2変形例を示す分解斜視図である。第2変形例では、上述した第1変形例と同様に、アノードオフガス放出孔52aおよび希釈ガス放出孔58と混合ガス排出孔61との間に、3個の仕切部53を備えている。またアノードオフガス放出孔52a、希釈ガス放出孔58および混合ガス排出孔61は、いずれも下側容器部材63に設けられている。そして第2変形例では、アノードオフガス放出孔52aおよび希釈ガス放出孔58に最も近い第1仕切部53a、並びに混合ガス排出孔61に最も近い第3仕切部53cにつき、上側仕切板片64の上方に切り欠き部68が形成されている。また、第1仕切部53aと第3仕切部53cとの間に配置された第2仕切部53bでは、下側仕切板片65の下方に切り欠き部68が形成されている。
上述した第2変形例では、希釈容器51の下方に導入されたアノードオフガスと希釈ガスとの混合ガスが、第1仕切部53aの上方の切り欠き部68に流入する。また第1仕切部53aの上方の切り欠き部68から流出した混合ガスは、第2仕切部53bの下方の切り欠き部68を通って、第3仕切部53cの上方の切り欠き部68に流入する。さらに、第3仕切部53cの上方の切り欠き部68から流出した混合ガスは、希釈容器51の下方の排出孔61から排出される。このように第2変形例では、第1変形例に較べて混合ガスの流動距離を増加させることが可能になる。これにより、希釈容器51内におけるアノードオフガスと希釈ガスとの混合時間が長くなり、アノードオフガスを確実に希釈することができる。
図7は、排出ガス処理装置の第3変形例を示す分解斜視図である。なお図7では、車両上下方向をZ方向とし、希釈容器51が分割される水平方向をX方向とし、X方向に直交する水平方向をY方向としている。この第3変形例では、希釈容器51が水平方向(X方向)に分割された第1容器部材62および第2容器部材63を備えている。各容器部材62,63の開口縁部にはそれぞれフランジ部(不図示)が設けられ、両容器部材62,63はフランジ部に溶接処理が施されまたはねじ止めされて一体化されている。
第1容器部材62の+Y側面の上方(+Z方向)にはアノードオフガス放出孔52aが設けられ、第2容器部材63の+Y側面の上方には希釈ガス放出孔58が設けられている。なお希釈ガス放出孔58は、燃料電池への供給空気(カソード供給ガス)または燃料電池からの排出空気(カソードオフガス)を希釈ガスとして放出するようになっている。また、両容器部材62,63の合わせ目の下方(−Z方向)には、カソードエアダクト57が設けられている。希釈容器51内に配置されたカソードエアダクト57の−Y方向の上面には、混合ガス排出孔61が設けられている。
第3変形例では、アノードオフガス放出孔52aおよび希釈ガス放出孔58と混合ガス排出孔61との間に、2個の仕切部53(53a,53b)が配置されている。各仕切部53は、第1容器部材62に設けられた第1仕切板片64と、第2容器部材63に設けられた第2仕切板片65とを合わせて構成される。アノードオフガス放出孔52aおよび希釈ガス放出孔58に最も近い第1仕切部53aでは、−Y方向の端辺に沿って開口部68が設けられている。また混合ガス排出孔61に最も近い第2仕切部53bでは、+Y方向の端辺に沿って開口部68が設けられている。各開口部68は、第1仕切板片64に設けられた切り欠きと、第2仕切板片65に設けられた切り欠きとを合わせて構成される。
上述した第3変形例では、希釈容器51の+Y側に導入されたアノードオフガスと希釈ガスとの混合ガスが、第1仕切部53aの−Y側の開口部68に流入する。その第1仕切部53aの−Y側の開口部68から流出した混合ガスは、第2仕切部53bの+Y側の開口部68に流入する。さらに、第2仕切部53bの+Y側の開口部68から流出した混合ガスは、カソードエアダクトの−Y側の排出孔61から排出される。このように第3変形例でも、混合ガスの流動距離を増加させることが可能になり、アノードオフガスを確実に希釈することができる。しかも第3変形例では、カソードエアダクト57を挟み込むように第1容器部材および第2容器部材を接合するので、カソードエアダクト57を簡単に取付けることができる。
なお前述した実施例では、希釈容器の断面を長方形にしているが、楕円形や円形にすることも可能である。ここで、希釈容器の軸心方向に対し直交する断面形状が、その閉断面の全周に亘って外側に凸曲状をなす曲線(楕円)で構成すると、耐圧性をさらに向上できる点で好ましいが、この形状に限定されない。このように、希釈容器の形状が限定されないので、レイアウト性を向上することができる。
前述した実施例では、希釈ガスとして燃料電池のカソードから排出される排出空気(カソードオフガス)を用いたが、希釈ガスはこれに限られるものではなく、供給空気(カソード供給ガス)を用いてもよい。
また、前記アノードオフガス供給口、前記希釈ガス供給口、前記混合ガス排出口は、前記容器内に形成してもよいし、前記容器表面に形成してもよい。
前述した実施例では、希釈ガスとして燃料電池のカソードから排出される排出空気(カソードオフガス)を用いたが、希釈ガスはこれに限られるものではなく、供給空気(カソード供給ガス)を用いてもよい。
また、前記アノードオフガス供給口、前記希釈ガス供給口、前記混合ガス排出口は、前記容器内に形成してもよいし、前記容器表面に形成してもよい。
1…燃料電池 3…アノード 50…排出ガス処理装置 51…希釈容器 51a…端板(側面) 52…アノードオフガス導入管(配管) 53…仕切部 57…希釈ガス管(配管) 58…希釈ガス放出孔(希釈ガス供給口) 61…混合ガス排出孔 (混合ガス排出口) 62…上側容器部材(第1容器部材) 63…下側容器部材(第2容器部材) 64…上側仕切片(第1仕切板片) 65…下側仕切片(第2仕切板片) 68…切り欠き部(ガス流通口)
Claims (4)
- アノードオフガスと希釈ガスとを供給され、前記アノードオフガスを前記希釈ガスと混合希釈する容器を備え、
該容器にそれぞれ形成されたアノードオフガス供給口および希釈ガス供給口と混合ガス排出口との間に、容器内空間を部分的に仕切る仕切部を少なくとも1つ有し、
該容器は、第1容器部材と第2容器部材とで構成され、
該仕切部は、第1容器部材の第1仕切板片と第2容器部材の第2仕切板片とで構成されることを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。 - 前記第1仕切片と前記第1容器部材との間、または、前記第2仕切片と前記第2容器部材との間、の少なくともいずれか一方に、ガス流通口を形成す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。
- 前記第1容器部材または前記第2容器部材のいずれか一方にのみ、
前記アノードオフガス供給口、前記希釈ガス供給口、前記混合ガス排出口のそれぞれが形成されるとともに、それぞれに接続される配管が配設されてい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。 - 前記アノードオフガス供給口と前記希釈ガス供給口は、前記仕切部に対向する同一側面に形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
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Publications (1)
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-
2006
- 2006-05-17 JP JP2006137425A patent/JP2006351520A/ja not_active Withdrawn
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