JP4410526B2 - 燃料電池の排出ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池からパージされた水素ガスを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関する。

一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ）をカソード極及びアノード極で挟み込んだものであり、カソード極に供給される空気（酸素ガス）と、アノード極に供給される水素ガスとの電気化学反応によって発電するようになっている。このような燃料電池では、水素ガスの利用効率を高めるために、燃料電池を通過した未反応の水素ガスが再び燃料電池に供給されるように循環している。その一方で、循環する水素ガス中には、次第に窒素ガス等の不純物が増加していくため、燃料電池の発電効率が低下していく。そこで、このような燃料電池では、発電効率を維持するために、所定の時間間隔で不純物を含む水素ガスがパージされている。

従来、燃料電池からパージされた水素ガスを処理する排出ガス処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この排出ガス処理装置は、パージされた水素ガスを希釈器内で空気と混合することによって希釈してから大気に排出するように構成されている。
特開平１１−１９１４２２号公報（段落番号〔００２４〕、図２）

ところで、このような燃料電池の排出ガス処理装置では、大気に排出されるガス中の水素ガスの濃度が、可燃濃度を考慮して予め設定された限界値を下回るように維持されなければならない。その一方で、このような燃料電池では、前記したように所定の時間間隔で水素ガスが間欠的にパージされるため、希釈器内での水素ガスの濃度が変動する。特に、水素ガスがパージされた直後の希釈器内では、水素ガスの濃度が急激に上昇する。その結果、大気に排出されるガス中の水素ガスの濃度が急激に高くなる恐れがある。

そこで、本発明の課題は、大気に排出されるガス中の水素ガスの濃度の急激な変動を抑え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にある。

前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、燃料電池からパージされた水素ガスと、前記燃料電池のカソードオフガスとが供給されて、前記水素ガスを前記カソードオフガスで希釈して大気に排出する希釈器を有する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記希釈器は、前記燃料電池からパージされた前記水素ガスが流れ込んで滞留する滞留室と、この滞留室と連通すると共に前記カソードオフガスが流れ込む希釈室と、を有し、前記燃料電池からパージされた前記水素ガスを前記カソードオフガスと予め混合して当該水素ガスを前記希釈器の前記滞留室へ供給する混合器を備え、前記燃料電池からパージされた前記水素ガスを前記希釈器に供給すると共に前記混合器が配置される第１配管と、前記希釈器に前記カソードオフガスを供給する第２配管と、前記第２配管から分岐するとともに前記混合器に前記カソードオフガスを供給する第３配管とを更に備え、前記混合器がスタティックミキサであることを特徴とする。

この排出ガス処理装置では、まず、混合器が燃料電池からパージされた水素ガスを空気と混合することによって希釈する。そして、混合器で希釈された水素ガスは、希釈器内でさらにカソードオフガスで希釈されてから大気に排出される。つまり、この排出ガス処理装置では、たとえ燃料電池から水素ガスがパージされた直後であったとしても、希釈器内に導入されるパージ水素が予め混合器で希釈されるので、希釈器における水素ガスの濃度の急激な上昇が抑制される。

この排出ガス処理装置では、燃料電池からパージされた水素ガスが、第１配管に配設された混合器を介して希釈器内に供給され、カソードオフガスが第２配管を通じて希釈器に供給される。そして、第２配管から分岐した第３配管は、第１配管に配設された混合器にカソードオフガスを供給する。したがって、この排出ガス処理装置では、燃料電池からパージされた水素ガスが第１配管を通じて希釈器に供給される際に、まず、水素ガスは混合器において第２配管から第３配管を通じて分配されたカソードガスによって希釈される。次いで、混合器で希釈された水素ガスは、第１配管を通じて希釈器内に導入されることによって、第２配管を通じて希釈器内に導入されたカソードオフガスでさらに希釈される。
前記課題を解決するための請求項２に記載の発明は、燃料電池からパージされた水素ガスと、前記燃料電池のカソードオフガスとが供給されて、前記水素ガスを前記カソードオフガスで希釈して大気に排出する希釈器を有する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記希釈器は、前記燃料電池からパージされた前記水素ガスが流れ込んで滞留する滞留室と、この滞留室と連通すると共に前記カソードオフガスが流れ込む希釈室と、を有し、前記燃料電池からパージされた前記水素ガスを空気と予め混合して当該水素ガスを前記希釈器の前記滞留室へ供給する混合器を備え、前記燃料電池からパージされた前記水素ガスを前記希釈器に供給すると共に前記混合器が配置される第１配管と、前記希釈器に前記カソードオフガスを供給する第２配管と、前記燃料電池に空気供給配管を介して空気を供給するコンプレッサと、前記空気供給配管から分岐するとともに前記混合器に空気を供給する第４配管とを更に備え、前記混合器がスタティックミキサであることを特徴とする。

本発明の燃料電池の排出ガス処理装置によれば、希釈器内における水素ガスの濃度の急激な上昇が抑制されるので、大気に排出されるガス中の水素ガスの濃度が所定の限界値を超えることを確実に防止することができる。

次に、本発明における燃料電池の排出ガス処理装置（以下、単に「排出ガス処理装置」という）の実施の形態について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図１は、本実施の形態に係る排出ガス処理装置を搭載した燃料電池自動車の平面図、図２は、本実施の形態に係る排出ガス処理装置が組み込まれた燃料電池システムの説明図、図３は、本実施の形態に係る排出ガス処理装置の概略図である。

まず、本発明に係る排出ガス処理装置の説明に先立って、この排出ガス処理装置を搭載した燃料電池自動車（以下、「車両」という）の概略について説明する。

図１に示すように、車両１は、燃料電池スタック４が発電した電力によって走行する電気自動車であり、その略中央部の床下には、燃料電池システムボックス２が配設されている。この燃料電池システムボックス２の内部には、燃料電池システムを構成する温調器３、燃料電池スタック４、加湿器５及び排出ガス処理装置６が車両１の前方から後方に向かって順に配設されている。なお、燃料電池システムは、前記した温調器３、燃料電池スタック４、加湿器５及び排出ガス処理装置６の他に燃料電池スタック４を冷却するラジエータ（図示せず）や、高圧水素ガス容器２３（図２参照）、供給する空気の量を調整可能なコンプレッサ２１（図２参照）等を備えている。

本実施の形態での燃料電池スタック４は、図２に示すように、プロトン導電性の高分子電解質膜ＰＥＭをカソード極Ｃｔ及びアノード極Ａｎで挟み込んだ単セル４ａを複数積層したものである。この燃料電池スタック４は、高圧水素ガス容器２３に貯留された燃料となる水素ガスと、コンプレッサ２１から供給される空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電を行うものである。また、この燃料電池スタック４の下部には、発電に伴って生成する水などのドレンを希釈器１５へ排出するためのアノードドレン配管１０が接続されている。なお、この燃料電池スタック４内で生成された水は、アノードドレン配管１０の適所に設けられた開閉弁１２を手動または自動で開閉することにより希釈器１５へ流れるようになっている。

燃料電池スタック４のアノード極Ａｎ側には、その入口に高圧水素ガス容器２３からの水素ガスを導く水素ガス供給配管２２が接続され、その出口に水素ガスを再び燃料電池スタック４に戻すための循環用配管７が接続されている。そして、循環用配管７には、その内部に溜まっている水素ガス中の不純物や、燃料電池スタック４内で生成される水を含んだ水素ガスを希釈器１５へパージ（排出）するためのパージ水素配管８が接続されている。なお、このパージ水素配管８を介してパージされる水素ガスを以下に「パージ水素ガス」という。

このパージ水素配管８には、制御装置１６によってその開閉が制御されるパージ弁９が配設されている。つまり、このパージ弁９は、制御装置１６からの開放命令信号によって開放されるようになっており、そして、制御装置１６から開放命令信号が出力されていないときには閉鎖されるようになっている。

制御装置１６は、燃料電池スタック４において所定の発電電流値やセル電圧値（運転状態）が維持されるように、所定の時間間隔（以下、この間隔を「パージ間隔」という）でパージ弁９を開放するための開放命令信号をパージ弁９へ出力するように構成されている。つまり、制御装置１６は、パージ水素ガスが希釈器１５へ所定のパージ間隔で間欠的にパージされるようにパージ弁９を制御するようになっている。

燃料電池スタック４のカソード極Ｃｔ側には、その入口にコンプレッサ２１からの供給空気を導く空気供給配管２４が接続され、その出口に燃料電池スタック４から排出される空気（以下、「カソードオフガス」という）を希釈器１５内に導く排気配管１４が接続されている。この排気配管１４には、燃料電池スタック４が発電している間は常にカソードオフガスが流れるようになっている。

加湿器５は、水素ガス供給配管２２の適所に設けられ、その下部には水等のドレンを希釈器１５へ排出するための加湿器ドレン配管１１が接続されている。なお、この加湿器５のドレンは、加湿器ドレン配管１１の適所に設けられた開閉弁１３を手動または自動で開閉することにより希釈器１５へ流れるようになっている。また、空気供給配管２４にも、加湿器や、加湿器ドレン配管、開閉弁等が設けられていてもよい。

次に、本実施の形態に係る排出ガス処理装置について説明する。図２及び図３に示すように、排出ガス処理装置６は、主に、希釈器１５、パージ水素配管８、排気配管１４、分岐配管１７及び混合器１８で構成されている。なお、パージ水素配管８は、特許請求の範囲にいう「第１配管」に相当し、排気配管１４は、「第２配管」に相当し、分岐配管１７は、「第３配管」に相当する。

希釈器１５は、箱状体で構成されており、その内部には、滞留室１５ａと希釈室１５ｂとが画成されている。この希釈器１５には、図２に示すように、パージ水素配管８、排気配管１４、アノードドレン配管１０及び加湿器ドレン配管１１が接続されている。そして、滞留室１５ａには、パージ水素ガスがパージ水素配管８を介して流れ込むことによって、一時的に滞留するようになっているとともに、ドレンがアノードドレン配管１０及び加湿器ドレン配管１１を介して流れ込むようになっている。また、希釈室１５ｂには、カソードオフガスが排気配管１４を介して流れ込むようになっている。このような滞留室１５ａと希釈室１５ｂとは、それぞれを隔てる隔壁１５ｃに穿たれた孔１５ｄで相互に連通している。

分岐配管１７は、排気配管１４から分岐した配管であり、排気配管１４から分岐した先がパージ水素配管８と接続されている。この分岐配管１７は、排気配管１４を流れるカソードオフガスをパージ水素配管８に分配するものである。

混合器１８は、パージ水素配管８を流れるパージ水素ガスと、排気配管１４から分岐配管１７を通じてパージ水素配管８のパージ水素ガスに合流するカソードオフガスとを混合するものである。本実施の形態での混合器１８は、パージ水素配管８におけるカソードオフガスの合流位置より下流に配設されている。

この混合器１８としては、特に制限はなく、公知の混合器を使用することができる。中でも、パージ水素配管８に介装可能であるとともに、駆動回転翼のような動的な部位を有していない点でスタティックミキサが好ましい。特に、特開平９−２９９７７６号公報に開示されているスタティックミキサは、圧力損失が少なく、また撹拌効率が高い点でより好ましい。

次に、本実施の形態に係る排ガス処理装置６の動作について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図４は、パージ水素配管８におけるパージ水素ガスの流量の変化を示すグラフと、希釈器１５におけるパージ水素ガスの濃度の変化を示すグラフとの対比説明図である。

図２に示すように、まず、高圧水素ガス容器２３からの水素ガスが加湿器５を経由して燃料電池スタック４に供給されるとともに、コンプレッサ２１からの空気が燃料電池スタック４に供給されることによって、燃料電池スタック４は発電を開始する。

このように燃料電池スタック４が発電を開始すると、制御装置１６は、循環用配管７内の水素ガスが前記した所定のパージ間隔で間欠的にパージされるようにパージ弁９に向けて開放命令信号を出力する。一方、開放命令信号を受信したパージ弁９は、開放命令信号を受信している時間だけ開放されて循環用配管７内の水素ガスを希釈器１５に向けてパージする。また、パージ弁９は、開放命令信号を受信していないときには閉鎖されている。したがって、パージ水素配管８には、図４の上段のグラフに示すように、パージ弁９が開放命令信号を受信している時間（パージ時間ｔ₁）は、所定の流量でパージ水素ガスが流れるとともに、開放命令信号を受信していない時間は、パージ水素ガスが流れていない。また、パージ水素配管８には、制御装置１６が開放命令信号を出力する間隔、つまりパージ間隔ｔ₂で、パージ水素ガスが流れる。

このようなパージ間隔ｔ₂に応じて燃料電池スタック４から排出されたパージ水素ガスは、図２に示すように、パージ水素配管８を通じて混合器１８に流れ込む。その一方で、燃料電池スタック４から排出されたカソードオフガスは、排出配管１４を通じて希釈器１５の希釈室１５ｂの入口１９ａから希釈室１５ｂ内に流れ込むとともに、希釈室１５ｂの出口１９ｂから大気に排出される。

また、排出配管１４を流れるカソードオフガスの一部は、分岐配管１７を通じてパージ水素配管８に流れ込む。そして、パージ水素配管８を流れるパージ水素ガスと合流したカソードオフガスは、混合器１８でパージ水素ガスと混合されて、パージ水素ガスを希釈する。また、排出配管１４には、前記したように燃料電池スタック４が発電している間は常にカソードオフガスが流れるようになっているため、分岐配管１７にもカソードオフガスが常に流れるようになっている。

次いで、混合器１８においてカソードオフガスで予め希釈されたパージ水素ガスは、希釈器１５の滞留室１５ａに流れ込んで一時的に滞留室１５ａで滞留する。そして、滞留室１５ａで滞留するパージ水素ガスは、希釈器１５の孔１５ｄを介して希釈室１５ｂ内に徐々に吸い込まれていく。この希釈室１５ｂに吸い込まれたパージ水素ガスは、希釈室１５ｂの入口１９ａから出口１９ｂに向かって流れるカソードオフガスと混合されることによって希釈されて、このカソードオフガスとともに出口１９ｂから大気に排出される。

このようにして滞留室１５ａで滞留するパージ水素ガスが大気に排出される際に、図４の下段の実線で表すグラフが示すように、パージ時間ｔ₁（図４の上段のグラフ参照）で燃料電池スタック４から水素ガスがパージされた後、滞留室１５ａ内のパージ水素ガスの濃度が一時的に上昇するとともに、パージ水素ガスが希釈器１５の孔１５ｄから希釈室１５ｂに吸い込まれていくにつれて、滞留室１５ａ内のパージ水素ガスの濃度は低下していく。そして、所定のパージ間隔ｔ₂（図４の上段のグラフ参照）で燃料電池スタック４から水素ガスがパージされるたびに、滞留室１５ａにおけるパージ水素ガスの濃度の変化は同様に繰り返される。

このように滞留室１５ａにおけるパージ水素ガスの濃度が変化する際に、本実施の形態に係る排出ガス処理装置６では、図２及び図３に示すように、混合器１８がパージ水素ガスを予めカソードオフガスで希釈するので、燃料電池スタック４から水素ガスがパージされた直後であったとしても、滞留室１５ａにおけるパージ水素ガスの濃度の急激な上昇が抑制される。ちなみに、従来の排出ガス処理装置、つまり混合器１８を有していない排出ガス処理装置では、図４の下段の点線で表すグラフが示すように、燃料電池スタック４から水素ガスがパージされた直後には、滞留室１５ａにおけるパージ水素ガスの濃度が急激に上昇する。

このような本実施の形態に係る排出ガス処理装置６では、滞留室１５ａにおけるパージ水素ガスの濃度の急激な上昇が抑制されるので、滞留室１５ａから希釈室１５ｂに高濃度のパージ水素ガスが吸い込まれる恐れがなくなる。したがって、この排出ガス処理装置６によれば、大気に排出されるガス中の水素ガスの濃度が所定の限界値を超えることを確実に防止することができる。

また、本実施の形態に係る排出ガス処理装置６では、排出配管１４から分岐配管１７を通じてパージ水素配管８に流れ込むカソードオフガスが、希釈室１５の滞留室１５ａに流れ込む際に、滞留室１５ａに滞留するパージ水素ガスを撹拌する。その結果、この排出ガス処理装置６では、滞留室１５ａから希釈室１５ｂに高濃度のパージ水素ガスが吸い込まれる恐れがなくなる。したがって、この排出ガス処理装置６によれば、大気に排出されるガス中の水素ガスの濃度が所定の限界値を超えることを確実に防止することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前記実施の形態には限定されない。例えば、本実施の形態では、混合器１８でパージ水素ガスと混合する空気として、カソードオフガスが使用されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、カソードオフガスに代えてコンプレッサ２１（図２参照）から供給される空気、つまり燃料電池スタック４を経由しない空気が使用されてもよい。この場合、コンプレッサ２１からの空気を混合器１８に供給するために、本発明の排出ガス処理装置には、空気供給配管２４から分岐するとともに、その先端がパージ水素配管８に接続される配管（第４配管）が配設されればよい。

また、本実施の形態では、図２及び図３に示すように、排気配管１４から分岐した分岐配管１７がパージ水素配管８に接続されることによって、混合器１８にカソードオフガスが供給されるように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、分岐配管１７が混合器１８に接続されるものであってもよい。

また、本実施の形態では、図２及び図３に示すように、混合器１８が希釈器１５の外側に配置されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、混合器１８が滞留室１５ａ内に配置されたものであってもよい。つまり、本発明の排出ガス処理装置は、希釈器１５に接続されたパージ水素配管８が滞留室１５ａ内まで延びるように配置されるとともに、混合器１８が滞留室１５ａ内で延びたパージ水素配管８に配設されたものであってもよい。

また、本実施の形態では、図２及び図３に示すように、希釈器１５として、滞留室１５ａ及び希釈室１５ｂを有するものを使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、滞留室１５ａ内で排気配管１４が延びるように配置されるとともに、滞留室１５ａ内で延びた排気配管１４に孔１５が形成された希釈器１５を有するものであってもよい。

本発明の実施の形態に係る排出ガス処理装置を搭載した燃料電池自動車の平面図である。 本発明の実施の形態に係る排出ガス処理装置が組み込まれた燃料電池システムの説明図である。 本発明の実施の形態に係る排出ガス処理装置の概略図である。 図３の排出ガス処理装置を構成するパージ水素配管におけるパージ水素ガスの流量の変化を示すグラフと、図３の排出ガス処理装置を構成する希釈器におけるパージ水素ガスの濃度の変化を示すグラフとの対比説明図である。 本発明の他の実施の形態に係る排出ガス処理装置の概略図である。 本発明の他の実施の形態に係る排出ガス処理装置の概略図である。

符号の説明

４ 燃料電池スタック
６ 燃料電池の排出ガス処理装置
８ パージ水素配管（第１配管）
１４ 排気配管（第２配管）
１５ 希釈器
１７ 分岐配管（第３配管）
１８ 混合器

Claims (2)

1. 燃料電池からパージされた水素ガスと、前記燃料電池のカソードオフガスとが供給されて、前記水素ガスを前記カソードオフガスで希釈して大気に排出する希釈器を有する燃料電池の排出ガス処理装置において、
   前記希釈器は、前記燃料電池からパージされた前記水素ガスが流れ込んで滞留する滞留室と、この滞留室と連通すると共に前記カソードオフガスが流れ込む希釈室と、を有し、
   前記燃料電池からパージされた前記水素ガスを前記カソードオフガスと予め混合して当該水素ガスを前記希釈器の前記滞留室へ供給する混合器を備え、
   前記燃料電池からパージされた前記水素ガスを前記希釈器に供給すると共に前記混合器が配置される第１配管と、
   前記希釈器に前記カソードオフガスを供給する第２配管と、
   前記第２配管から分岐するとともに前記混合器に前記カソードオフガスを供給する第３配管とを更に備え、
   前記混合器がスタティックミキサであることを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
2. 燃料電池からパージされた水素ガスと、前記燃料電池のカソードオフガスとが供給されて、前記水素ガスを前記カソードオフガスで希釈して大気に排出する希釈器を有する燃料電池の排出ガス処理装置において、
   前記希釈器は、前記燃料電池からパージされた前記水素ガスが流れ込んで滞留する滞留室と、この滞留室と連通すると共に前記カソードオフガスが流れ込む希釈室と、を有し、
   前記燃料電池からパージされた前記水素ガスを空気と予め混合して当該水素ガスを前記希釈器の前記滞留室へ供給する混合器を備え、
   前記燃料電池からパージされた前記水素ガスを前記希釈器に供給すると共に前記混合器が配置される第１配管と、
   前記希釈器に前記カソードオフガスを供給する第２配管と、
   前記燃料電池に空気供給配管を介して空気を供給するコンプレッサと、
   前記空気供給配管から分岐するとともに前記混合器に空気を供給する第４配管とを更に備え、
   前記混合器がスタティックミキサであ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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