JP3900488B2 - 燃料電池の排出ガス処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排出ガス処理装置に関し、詳しくは電気自動車の動力源となる水素を燃料とする燃料電池システムのパージ時の水素の処理を行う燃料電池の排出ガス処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車の動力源となる燃料電池システムが、例えば純水素（以下、「水素」という。）を燃料とする場合、燃料電池への水素供給は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ために循環系を採用している（例えば、特許文献１参照）。循環方式としては、負圧を発生させて水素を吸引するエゼクタや、真空ポンプなどを利用する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６-２７５３００号公報（第４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
循環系においては、再循環を長時間続けていると水素中の不純物、例えば、窒素の濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。また、水分が溜まって燃料電池システムのアノード配管系内の水素の流れを悪くすることがある。そのため窒素等の不純物や水を大気に排出するパージ操作が必要になる。ところが、アノード配管系には、水素が満たされているため、パージ操作中に、高濃度の水素も一緒に外部へ排出されてしまう。そこで、水素（パージ水素）を大気へそのまま排出してしまわないように、排出燃料希釈器内にパージ水素を導入してパージ空気（カソードオフガス）と混合し、低濃度に希釈してから大気に排出している。
しかしながら、大気に排出するためのパージ水素が間歇的に排出燃料希釈器内に送り込まれるような場合、排出燃料希釈器内のパージ水素の時間の経過に伴う濃度の変動が大きいので、パージ空気と混合して希釈されて大気に排出されるパージ水素の濃度の変動も大きなものになっていた。
尚、特許文献１には、パージされる水素を希釈して大気に排出するという技術思想は開示されていない。
【０００５】
そこで、本発明は、大気に排出するためのパージ水素が間歇的に導入されるような場合でも、大気に排出されるパージ水素の時間の経過に伴う濃度の変動を小さく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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための手段として、本発明に係る請求項１の燃料電池の排出ガス処理装置は、燃料電池からパージされる水素ガスを入口部から導入して、滞溜室に滞溜させ、前記滞溜室に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記滞溜室の上部に撹拌ガス導入部を設け、前記燃料電池に供給されるカソードガスを分岐して前記撹拌ガス導入部に供給することを特徴とする。
【０００７】
このような構成としたことにより、請求項１に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、滞溜室に一時的に滞溜されたアノードガスは、カソードガスを滞溜室に送り込まれて撹拌され、希釈されるため、滞溜室内の濃度の偏りが小さくなるので、カソードオフガスと混合し、更に希釈されて大気に排出されるアノードガスの濃度変化は小さなものになる。
また、比重のあるカソードガスを滞溜室の上部に設けた撹拌ガス導入部から導入するので、カソードガスが滞溜室の下部に向かって吹き下ろすこととなるから、比重が軽く滞溜室の上部に向かい易い水素と混合し易くなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置について実施の形態を説明する。
【０００９】
参照する図面において、図１は燃料電池電気自動車における本発明の実施の形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置を含む燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図、図２は本発明の燃料電池システムボックスの装置図である。
【００１０】
図１に示すように、燃料電池電気自動車（以下、「車両」という。）１の略中央部の床下に、燃料電池システムボックス２が搭載されている。燃料電池システムボックス２の内部には、燃料電池システム、即ち、温調器３、燃料電池スタック４、加湿器５、及び排出燃料希釈器６が車両１の前方から後方に向かって順に載置されている。燃料電池システムはこれらのほか、燃料電池スタック４を冷却する図示せぬラジエタ、高圧水素容器などから構成される。
【００１１】
燃料電池スタック４は、高圧水素容器に貯留された燃料となる水素と、車外から取り入れた空気を供給されて発電を行い、車両１を駆動するための電気を供給する。このとき電気とともに生成水（以下、水という）が生じる。この燃料電池スタック４を好適に作動させるために、温調器３で燃料電池スタック４に供給される水素及び空気の温度調整を行い、加湿器５で燃料電池スタック４に供給される水素及び空気を加湿する。排出燃料希釈器６は、本発明の燃料電池の排出ガス処理装置であり、アノード配管系からのパージ水素を放出させて滞溜させ、排気空気と混合して希釈してから水と一緒に大気に排出する。
【００１２】
燃料電池スタック４で一度使用された水素は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ため、配管７により加湿器５の上流側に戻されて循環系を構成している。又、長時間再循環された水素は不純物の濃度が高くなるので、あるいは、内部に発電による水が溜まるので、この水素及び水をパージするため、循環系の配管７から分岐したパージ水素配管８が排出燃料希釈器６に接続されている。パージ水素配管８には自動、又は手動で作動する開閉弁９が設けられ、通常時には閉じられ、パージのとき開かれる。
また、燃料電池スタック４のアノード極のドレン、及び加湿器５のドレンを希釈して排出するために、アノードドレン配管１０、及び加湿器ドレン配管１１が排出燃料希釈器６に接続されている。アノードドレン配管１０、及び加湿器ドレン配管１１には、それぞれ自動、又は手動で作動する開閉弁１２，１３が設けられている。
そして、燃料電池スタック４から排出されるカソードオフガスを排出するために、カソードオフガス配管１４が排出燃料希釈器６に接続されている。
【００１３】
燃料電池システムボックス２は、概略以上のように構成されており、排出燃料希釈器６内に放出されたパージ水素は容積が拡大することでしばらく滞溜して拡散される。その後、パージ水素は、排出燃料希釈器６内に導入されたカソードオフガス配管１４内を排気空気が流れているため、穴部１７，１７から吸い込まれて排気空気と混合して希釈され、低濃度となって大気に排出される。加湿器５や燃料電池スタック４から出る排気空気中の凝縮水も排気空気と一緒に排出される。尚、１５は逆火防止フィルタである。
【００１４】
次に図３を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置について更に詳細に説明する。
排出燃料希釈器６は、ＢＯＸ状の容器であり、壁１６の上部に、燃料電池スタック４に供給される前のカソードガス（Ａｉｒ：図２参照）から分岐して導入される撹拌ガス導入部１９を設けている。また、撹拌ガス導入部１９よりも下方の壁１６には、循環系のパージ水素配管８、アノードドレン配管１０、及び加湿器ドレン配管１１（図２参照）から放出されるパージ水素が１つに統合されて導入される入口部２０が設けられている。排出燃料希釈器６内は、入口部２０から放出された水素の滞溜室１８をなす。
排出燃料希釈器６の下部に、一方の壁１６から他方の壁２２を突き抜けて、カソードオフガス配管系からの排気空気のカソードオフガス配管１４が水平に、且つ排出燃料希釈器６の上流側よりも細く設けられ、排出口２３が大気に開口している。カソードオフガス配管１４は、排出燃料希釈器６内の入口部２０が設けられた壁１６側に、パージ水素を混合するための穴部１７，１７を備えている。尚、本実施の形態では吸い込み効率を良くするために穴部１７，１７を２個設けたが、穴部１７，１７は適宜個数設けて良い。
撹拌ガス導入部１９から滞溜室１８内に導入されるカソードガスの圧力は、カソードオフガス配管１４内を流れるカソードオフガスの圧力よりもやや高めに設定する。
【００１５】
この排出燃料希釈器６によれば、アノード配管系（パージ水素配管８、アノードドレン配管１０、及び加湿器ドレン配管１１）から入口部２０を経て滞溜室１８内に導入された高濃度のパージ水素（アノードガス）は、滞溜室１８に滞溜して容積が拡大する。同時に撹拌ガス導入部１９から導入されたカソードガスによってパージ水素が撹拌され、希釈されるため、滞溜室１８内の濃度の偏りが小さくなる。
そして、パージ水素と比べて比重のあるカソードガスを滞溜室１８の上部に設けた撹拌ガス導入部１９から水平に吐出し、比重が軽く滞溜室１８の上部に向かい易いパージ水素を撹拌ガス導入部１９よりも下方の入口部２０から導入するので、カソードガスが対向する壁２２に突き当たって滞溜室１８の下部に向かい吹き下ろすこととなるから、カソードガスとパージ水素が十分に撹拌され、混合し易くなる。
次いで、滞溜室１８内の圧力が高いパージ水素は、滞溜室１８内に溜まった水と共に、流れが速く圧力が小さいカソード排気空気が流れているカソードオフガス配管１４の穴部１７，１７から、カソードオフガス配管１４内に吸い込まれ、中を流れる速度の速いカソード排気空気と混合されて、更に希釈されながらカソード排気空気の流れに引っ張られるようにして排出口２３から大気に排出されるので、パージ水素は十分に希釈されて大気に排出される。
このときのカソードガス排出部２３でのパージ水素の濃度変化は図４のＡに示す通りであり、パージ水素が間歇的に滞溜室１８に導入されても、従来のパージ水素の濃度変化Ｂのように少し濃度の高いパージ水素が大気に排出されてしまうということがなくなり、従来よりも濃度変化の小さい比較的安定した濃度のパージ水素を大気に排出することができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、滞溜室に一時的に滞溜されたアノードガスは、カソードガスを滞溜室に送り込まれて撹拌されて希釈されるため、滞溜室内の濃度の偏りが小さくなるので、カソードオフガスと混合し、更に希釈されて大気に排出されるアノードガスの濃度変化は小さなものになる。
また、比重のあるカソードガスを滞溜室の上部に設けた撹拌ガス導入部から導入するので、カソードガスが滞溜室の下部に向かって吹き下ろすこととなるから、比重が軽く滞溜室の上部に向かい易い水素と混合し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池電気自動車における本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置を含む燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図である。
【図２】本発明の燃料電池システムボックスの装置図である。
【図３】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の断面図である。
【図４】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置のカソードガス排出部のパージ水素の時間の経過に伴う濃度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ：燃料電池電気自動車（車両）
２ ：燃料電池システムボックス
４ ：燃料電池スタック
６ ：排出燃料希釈器（燃料電池の排出ガス処理装置）
７ ：配管
１０ ：アノードドレン配管
１１ ：加湿器ドレン配管
１４ ：カソードオフガス配管
１７ ：穴部
１８ ：滞溜室
１９ ：撹拌ガス導入部
２０ ：入口部
２３ ：カソードガス排出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排出ガス処理装置に関し、詳しくは電気自動車の動力源となる水素を燃料とする燃料電池システムのパージ時の水素の処理を行う燃料電池の排出ガス処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車の動力源となる燃料電池システムが、例えば純水素（以下、「水素」という。）を燃料とする場合、燃料電池への水素供給は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ために循環系を採用している（例えば、特許文献１参照）。循環方式としては、負圧を発生させて水素を吸引するエゼクタや、真空ポンプなどを利用する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６-２７５３００号公報（第４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
循環系においては、再循環を長時間続けていると水素中の不純物、例えば、窒素の濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。また、水分が溜まって燃料電池システムのアノード配管系内の水素の流れを悪くすることがある。そのため窒素等の不純物や水を大気に排出するパージ操作が必要になる。ところが、アノード配管系には、水素が満たされているため、パージ操作中に、高濃度の水素も一緒に外部へ排出されてしまう。そこで、水素（パージ水素）を大気へそのまま排出してしまわないように、排出燃料希釈器内にパージ水素を導入してパージ空気（カソードオフガス）と混合し、低濃度に希釈してから大気に排出している。
しかしながら、大気に排出するためのパージ水素が間歇的に排出燃料希釈器内に送り込まれるような場合、排出燃料希釈器内のパージ水素の時間の経過に伴う濃度の変動が大きいので、パージ空気と混合して希釈されて大気に排出されるパージ水素の濃度の変動も大きなものになっていた。
尚、特許文献１には、パージされる水素を希釈して大気に排出するという技術思想は開示されていない。
【０００５】
そこで、本発明は、大気に排出するためのパージ水素が間歇的に導入されるような場合でも、大気に排出されるパージ水素の時間の経過に伴う濃度の変動を小さく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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための手段として、本発明に係る請求項１の燃料電池の排出ガス処理装置は、燃料電池からパージされる水素ガスを入口部から導入して、滞溜室に滞溜させ、前記滞溜室に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記滞溜室の上部に撹拌ガス導入部を設け、前記燃料電池に供給されるカソードガスを分岐して前記撹拌ガス導入部に供給することを特徴とする。
【０００７】
このような構成としたことにより、請求項１に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、滞溜室に一時的に滞溜されたアノードガスは、カソードガスを滞溜室に送り込まれて撹拌され、希釈されるため、滞溜室内の濃度の偏りが小さくなるので、カソードオフガスと混合し、更に希釈されて大気に排出されるアノードガスの濃度変化は小さなものになる。
また、比重のあるカソードガスを滞溜室の上部に設けた撹拌ガス導入部から導入するので、カソードガスが滞溜室の下部に向かって吹き下ろすこととなるから、比重が軽く滞溜室の上部に向かい易い水素と混合し易くなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置について実施の形態を説明する。
【０００９】
参照する図面において、図１は燃料電池電気自動車における本発明の実施の形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置を含む燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図、図２は本発明の燃料電池システムボックスの装置図である。
【００１０】
図１に示すように、燃料電池電気自動車（以下、「車両」という。）１の略中央部の床下に、燃料電池システムボックス２が搭載されている。燃料電池システムボックス２の内部には、燃料電池システム、即ち、温調器３、燃料電池スタック４、加湿器５、及び排出燃料希釈器６が車両１の前方から後方に向かって順に載置されている。燃料電池システムはこれらのほか、燃料電池スタック４を冷却する図示せぬラジエタ、高圧水素容器などから構成される。
【００１１】
燃料電池スタック４は、高圧水素容器に貯留された燃料となる水素と、車外から取り入れた空気を供給されて発電を行い、車両１を駆動するための電気を供給する。このとき電気とともに生成水（以下、水という）が生じる。この燃料電池スタック４を好適に作動させるために、温調器３で燃料電池スタック４に供給される水素及び空気の温度調整を行い、加湿器５で燃料電池スタック４に供給される水素及び空気を加湿する。排出燃料希釈器６は、本発明の燃料電池の排出ガス処理装置であり、アノード配管系からのパージ水素を放出させて滞溜させ、排気空気と混合して希釈してから水と一緒に大気に排出する。
【００１２】
燃料電池スタック４で一度使用された水素は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ため、配管７により加湿器５の上流側に戻されて循環系を構成している。又、長時間再循環された水素は不純物の濃度が高くなるので、あるいは、内部に発電による水が溜まるので、この水素及び水をパージするため、循環系の配管７から分岐したパージ水素配管８が排出燃料希釈器６に接続されている。パージ水素配管８には自動、又は手動で作動する開閉弁９が設けられ、通常時には閉じられ、パージのとき開かれる。
また、燃料電池スタック４のアノード極のドレン、及び加湿器５のドレンを希釈して排出するために、アノードドレン配管１０、及び加湿器ドレン配管１１が排出燃料希釈器６に接続されている。アノードドレン配管１０、及び加湿器ドレン配管１１には、それぞれ自動、又は手動で作動する開閉弁１２，１３が設けられている。
そして、燃料電池スタック４から排出されるカソードオフガスを排出するために、カソードオフガス配管１４が排出燃料希釈器６に接続されている。
【００１３】
燃料電池システムボックス２は、概略以上のように構成されており、排出燃料希釈器６内に放出されたパージ水素は容積が拡大することでしばらく滞溜して拡散される。その後、パージ水素は、排出燃料希釈器６内に導入されたカソードオフガス配管１４内を排気空気が流れているため、穴部１７，１７から吸い込まれて排気空気と混合して希釈され、低濃度となって大気に排出される。加湿器５や燃料電池スタック４から出る排気空気中の凝縮水も排気空気と一緒に排出される。尚、１５は逆火防止フィルタである。
【００１４】
次に図３を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置について更に詳細に説明する。
排出燃料希釈器６は、ＢＯＸ状の容器であり、壁１６の上部に、燃料電池スタック４に供給される前のカソードガス（Ａｉｒ：図２参照）から分岐して導入される撹拌ガス導入部１９を設けている。また、撹拌ガス導入部１９よりも下方の壁１６には、循環系のパージ水素配管８、アノードドレン配管１０、及び加湿器ドレン配管１１（図２参照）から放出されるパージ水素が１つに統合されて導入される入口部２０が設けられている。排出燃料希釈器６内は、入口部２０から放出された水素の滞溜室１８をなす。
排出燃料希釈器６の下部に、一方の壁１６から他方の壁２２を突き抜けて、カソードオフガス配管系からの排気空気のカソードオフガス配管１４が水平に、且つ排出燃料希釈器６の上流側よりも細く設けられ、排出口２３が大気に開口している。カソードオフガス配管１４は、排出燃料希釈器６内の入口部２０が設けられた壁１６側に、パージ水素を混合するための穴部１７，１７を備えている。尚、本実施の形態では吸い込み効率を良くするために穴部１７，１７を２個設けたが、穴部１７，１７は適宜個数設けて良い。
撹拌ガス導入部１９から滞溜室１８内に導入されるカソードガスの圧力は、カソードオフガス配管１４内を流れるカソードオフガスの圧力よりもやや高めに設定する。
【００１５】
この排出燃料希釈器６によれば、アノード配管系（パージ水素配管８、アノードドレン配管１０、及び加湿器ドレン配管１１）から入口部２０を経て滞溜室１８内に導入された高濃度のパージ水素（アノードガス）は、滞溜室１８に滞溜して容積が拡大する。同時に撹拌ガス導入部１９から導入されたカソードガスによってパージ水素が撹拌され、希釈されるため、滞溜室１８内の濃度の偏りが小さくなる。
そして、パージ水素と比べて比重のあるカソードガスを滞溜室１８の上部に設けた撹拌ガス導入部１９から水平に吐出し、比重が軽く滞溜室１８の上部に向かい易いパージ水素を撹拌ガス導入部１９よりも下方の入口部２０から導入するので、カソードガスが対向する壁２２に突き当たって滞溜室１８の下部に向かい吹き下ろすこととなるから、カソードガスとパージ水素が十分に撹拌され、混合し易くなる。
次いで、滞溜室１８内の圧力が高いパージ水素は、滞溜室１８内に溜まった水と共に、流れが速く圧力が小さいカソード排気空気が流れているカソードオフガス配管１４の穴部１７，１７から、カソードオフガス配管１４内に吸い込まれ、中を流れる速度の速いカソード排気空気と混合されて、更に希釈されながらカソード排気空気の流れに引っ張られるようにして排出口２３から大気に排出されるので、パージ水素は十分に希釈されて大気に排出される。
このときのカソードガス排出部２３でのパージ水素の濃度変化は図４のＡに示す通りであり、パージ水素が間歇的に滞溜室１８に導入されても、従来のパージ水素の濃度変化Ｂのように少し濃度の高いパージ水素が大気に排出されてしまうということがなくなり、従来よりも濃度変化の小さい比較的安定した濃度のパージ水素を大気に排出することができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、滞溜室に一時的に滞溜されたアノードガスは、カソードガスを滞溜室に送り込まれて撹拌されて希釈されるため、滞溜室内の濃度の偏りが小さくなるので、カソードオフガスと混合し、更に希釈されて大気に排出されるアノードガスの濃度変化は小さなものになる。
また、比重のあるカソードガスを滞溜室の上部に設けた撹拌ガス導入部から導入するので、カソードガスが滞溜室の下部に向かって吹き下ろすこととなるから、比重が軽く滞溜室の上部に向かい易い水素と混合し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池電気自動車における本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置を含む燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図である。
【図２】本発明の燃料電池システムボックスの装置図である。
【図３】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の断面図である。
【図４】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置のカソードガス排出部のパージ水素の時間の経過に伴う濃度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ：燃料電池電気自動車（車両）
２ ：燃料電池システムボックス
４ ：燃料電池スタック
６ ：排出燃料希釈器（燃料電池の排出ガス処理装置）
７ ：配管
１０ ：アノードドレン配管
１１ ：加湿器ドレン配管
１４ ：カソードオフガス配管
１７ ：穴部
１８ ：滞溜室
１９ ：撹拌ガス導入部
２０ ：入口部
２３ ：カソードガス排出部
Claims (1)
- 燃料電池からパージされる水素ガスを入口部から導入して、滞溜室に滞溜させ、前記滞溜室に導入された前記水素ガスを前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、
前記滞溜室の上部に撹拌ガス導入部を設け、
前記燃料電池に供給されるカソードガスを分岐して前記撹拌ガス導入部に供給する、
ことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
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