JP3900488B2 - 燃料電池の排出ガス処理装置 - Google Patents
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Description
【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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