JP5080727B2 - 燃料電池の排出ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池から排出された水素を希釈して外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置に関する。

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て発電する燃料電池の開発が盛んである。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が採用される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）とともに、水素パージされた水素を希釈器（混合部）で希釈して、外部に排出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この燃料電池システムでは、水素パージ時に、高圧で多量の水素が直接水素エア混合容器中に吹き込むようになっており、エア導入用配管からアノードオフガスが、カソードオフガスの上流側または下流側に流れ出して、高濃度の水素がカソードオフガスに混入していた。従来は、その高濃度の水素が外部に排出されるのを防止するために、カソードオフガス経路内に圧損を設けたり、あるいは逆止弁を設けたりして、水素の逆流を抑制している。
特開２００２−２８９２３７号公報（段落００１３〜００２０、図２、図８）

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、水素パージの際に、水素を含んだアノードオフガスが希釈器に一気に流れ込んで外部に排出されるという問題点があった。
また、アノードオフガスは、水素パージ時に一気に排出されるのに伴って水素濃度が一時的に上昇した後、混合室内でカソードオフガスとゆっくりと混合しながら排出されるため、混合室内の水素が全て排出されるまでに時間がかかるという問題点があった。

そこで、本発明は、燃料電池から排出される水素が希釈器から一気に水素排出流路に排出されるのを抑制した燃料電池の排出ガス処理装置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に記載の燃料電池の排出ガス処理装置の発明は、燃料電池のアノードから排出された水素が流れ、分岐点で分岐した水素希釈ラインと分岐ラインとを有する水素排出流路と、前記分岐点の上流側の前記水素排出流路に設けられ、水素を排出する場合に開くパージ弁と、前記水素希釈ラインに設けられ、水素と希釈用ガスとを混合することで、前記水素を希釈する希釈器と、前記分岐ラインに設けられ、水素を蓄える水素リザーバと、前記水素リザーバの下流側の前記分岐ラインに設けられ、その上流側の圧力とその下流側の圧力との差圧が第１所定圧力以上の場合に開くばね力を有する第１リード弁と、前記水素リザーバの上流側の前記分岐ラインに設けられ、その上流側の圧力とその下流側の圧力との差圧が第２所定圧力以上の場合に開くばね力を有する第２リード弁と、を備え、前記分岐ラインの前記分岐点における向きは、前記分岐点に向かう前記水素排出流路に直線的であり、前記分岐点と前記希釈器との間における前記水素希釈ラインの最小断面積は、前記分岐点と前記水素リザーバとの間における前記分岐ラインの最小断面積よりも小さく、前記分岐ラインの下流端は、前記希釈器又は前記希釈器の下流側の前記水素希釈ラインに接続され、前記第１所定圧力は、前記第２所定圧力よりも高いことを特徴とする。

請求項１に記載の燃料電池の排出ガス処理装置の発明によれば、燃料電池のアノードから排出された水素は、希釈器の上流側の水素排出流路に分岐ラインを備え、この分岐ラインに水素リザーバが連結されていることにより、水素排出流路の途中で水素リザーバと希釈器とに分かれて流れるようになる。燃料電池から排出されて分岐ラインへ流れる水素は、分岐ラインの分岐点における向きが、分岐点に向かう水素排出流路に直線的であることにより、流動抵抗が小さくなるため、水素排出流路の主流方向にスムーズに流れるようになる。さらに、燃料電池から排出される水素は、分岐点と希釈器との間の水素排出流路の最小断面積が、分岐点と水素リザーバとの間の水素リザーバ入口流路の最小断面積より小さいので、最小断面積が大きいリザーバ側に多く流れるようになる。その結果、燃料電池から排出される水素は、水素リザーバに一時的に貯留されて、ダイレクトに外部に排出される水素の流量が減少するとともに、希釈器に流れる流量が規制されて減少されるようになる。このため、パージ時に、水素が希釈器に流れ込んで、一気にその下流の水素排出流路に排出されることを抑制することができるようになる。
このため、水素パージ時には、その水素の一部が一時的に水素リザーバに蓄えられることにより、多量の水素が、希釈器に一気に流れ込んで水素排出流路から外部に排出されないようになる。希釈器に流れる水素は、水素排出流路に分岐ラインと水素リザーバとが備えられたことにより、流量が減少されてゆっくりと流れるようになるため、希釈処理効率が向上される。その結果、高濃度の水素が、希釈器の下流側から大気中などの外部に排出されないようになるとともに、希釈器内に送り込まれた水素が、カソード上流側に逆流することが解消される。
また、請求項１に記載の発明によれば、燃料電池から排出された水素は、希釈器または希釈器の下流側配管に接続された水素リザーバ出口流路に第１リード弁を設けたことにより、水素リザーバから水素リザーバ出口流路の出口方向に向けてのみ流れるように抑制される。その水素リザーバ出口流路は、希釈器またはこの希釈器の下流に接続されて、上流側の圧力とその下流側の圧力との差圧が第１所定圧力以上の場合に開くばね力を有する第１リード弁を設けたことにより、新しいガスが水素リザーバに導入されて、水素リザーバ内の圧力が第１所定圧力以上になったときにのみ希釈流路に水素が排出されるようになる。このため、水素パージ時に、水素が一気に希釈流路に流れ込んで、水素濃度の高い水素が水素排出流路から外部に排出されないようにすることができる。
また、請求項１に記載の発明によれば、燃料電池から排出された水素は、水素リザーバの上流側の前記分岐ラインで、その上流側の圧力とその下流側の圧力との差圧が第２所定圧力以上の場合に開くばね力を有する第２リード弁を設けるとともに、第１所定圧力を、第２所定圧力よりも高くした。その結果、水素リザーバに流れ込んだ水素を、第２所定圧力未満の高圧な状態に貯留することができるので、水素リザーバから流れ出る水素の流量の調整が可能となるため、水素リザーバから外部にダイレクトに排出される水素の流量を減少させることができるようになる。

本発明の燃料電池の排出ガス処理装置によれば、燃料電池から排出される水素が希釈器から一気に水素排出流路に排出されるのを抑制するとともに、カソード上流側に逆流することを防止することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置の構成を示すブロック図である。

≪燃料電池システムの構成≫
まず、図１を参照し、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の排出ガス処理装置４０を備えた燃料電池システムＳについて説明する。燃料電池システムＳは、例えば、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燃料電池自動車に搭載されている。
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）を供給および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）を供給および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の下流位置で燃料電池１０から排出される水素を燃料電池自動車の外部に排出する排出ガス処理装置４０と、イグニッションスイッチ５２（以下、ＩＧ）等のその他機器と、これらを制御する制御部６０と、を主に備えている。

＜燃料電池の構成＞
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に加湿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、制御部６０と電気的に接続されて、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。

＜アノード系−水素供給側の配管接続関係＞
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、この水素タンク２１からの水素の流出を調整する遮断弁２２と、水素を含むアノードオフガス（水素オフガス）を循環させるためのエゼクタ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に接続されている。遮断弁２２は、後記する制御部６０と電気的に接続されており、制御部６０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に接続されており、エゼクタ２３は、配管２３ａを介して燃料電池１０のアノード１２に接続されている。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６０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−水素排出側の配管接続関係＞
アノード系２０の水素排出側には、水素パージ弁２４と、希釈器４１と、第２リード弁４２と、水素リザーバ４３と、第１リード弁４４とが備えられている。このアノード系２０の水素排出側には、燃料電池１０から排出された水素を含むアノードオフガスをエゼクタ２３に循環する水素循環流路（配管２４ｂ）と、燃料電池１０のアノード１２から排出された水素を流して外部に排出するための水素排出流路Ｐとを備えている。
この水素排出流路Ｐは、後記する水素パージ弁２４の下流の分岐点ｃにおいて、アノードオフガスが水素パージ弁２４と希釈器４１とを介して排出される流路でなる水素希釈ライン（配管２４ｄ）と、アノードオフガスが前記水素パージ弁２４を通過した後に分岐して水素リザーバ４３を介して排出される流路でなる分岐ライン（配管２４ｅ，４２ａ，４３ａ，４４ａ）と、に２つに分かれるように接続されている。なお、分岐ラインは、希釈器４１の上流側の水素排出流路Ｐに接続されて、備えられている。

水素パージ弁２４の上流側は、配管２４ａを介して、燃料電池１０のアノード１２の下流側に接続されており、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の下流側の途中位置には、エゼクタ２３に接続するための配管２４ｂが設けられて、前記水素循環流路を形成している。さらに、水素パージ弁２４は、制御部６０と電気的に接続されており、制御部６０は、水素パージ弁２４を適宜に開閉するようになっている。その水素パージ弁２４には、後記する水素排出流路Ｐの流路方向の途中の分岐点ｃで、配管２４ｄと配管２４ｅとに分岐する配管２４ｃが接続されている。

配管２４ｄは、上流側端部が分岐点ｃに接続され、下流側端部が希釈器４１に接続されて、前記水素希釈ラインを形成している。配管２４ｅは、上流側端部が分岐点ｃに接続され、下流側端部が第２リード弁４２に接続されて、前記配管２４ｄから分岐して設けられ、配管４２ａ，４３ａ，４４ａとで前記分岐ラインを形成している。その配管２４ｅの水素リザーバ入口流路（配管２４ｅ，４２ａ）の分岐点ｃにおける向きは、例えば、Ｔ字型継手によって、分岐点ｃにおける水素排出流路Ｐの流路方向（アノードオフガスの主流の流れ方向）に沿って略直線的に配設されて、水素リザーバ４３の水素リザーバ入口流路上の第２リード弁４２に接続されている。

第２リード弁４２は、配管４２ａを介して水素リザーバ４３に接続されている。
水素リザーバ４３は、配管４３ａを介して第１リード弁４４に接続されている。第１リード弁４４は、配管４４ａによって、希釈器４１の排気用の配管４１ａに接続して大気中などの外部に排出され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６０は、水素パージ弁２４を開き、この水分量の高いアノードオフガスが配管２４ｃを介して排出ガス処理装置４０の希釈器４１および水素リザーバ４３に送られるようになっている。なお、水素パージ時に、排出ガス処理装置４０に送られるアノードオフガスには、水素、水分の他、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な値であることにより、アノードオフガス中の水分量が低いと推定される場合（水素循環時）、制御部６０は、水素パージ弁２４を閉じ、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、水素が循環して効率的よく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、このようにセル電圧に基づく方式に限定されず、その他に例えば、所定時間で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−空気供給側の配管接続関係＞
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、後記する制御部６０と電気的に接続されている。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）とに電気的の接続されており、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に接続されており、加湿空気がカソード１３に送られるようになっている。

また、配管３１ａの途中位置には、配管３１ｂが分岐して設けられ、その配管３１ｂから開閉弁３３および配管３３ａを介して希釈器４１に接続されている。開閉弁３３は、制御部６０と電気的に接続されており、その制御部６０は、例えば、水素パージ弁２４の開閉／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６０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４１に供給されるようになっている。さらに説明すると、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は開かれる。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４１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４１に連続的に供給する構成としてもよい。

＜カソード系−空気排出側の配管接続関係＞
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４１に接続されている。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４１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。

＜燃料電池の排出ガス処理装置の構成＞
前記排出ガス処理装置４０は、図１に示すように、燃料電池１０のアノードから排出された水素が流れる水素排出流路Ｐと、分岐ラインに備えられて燃料電池１０から排出された水素の一部を蓄える水素リザーバ４３と、水素排出流路Ｐに接続され、前記排出された水素と希釈ガスとを混合することで、水素を希釈する希釈器４１と、を少なくとも備えている。その他に、排出ガス処理装置４０には、水素パージ弁２４と、水素リザーバ４３の入口および出口に、それぞれ設けられた第２リード弁４２および第１リード弁４４と、それらをそれぞれ連結する配管２４ａ,２４ｃ,２４ｄ，２４ｅ,４２ａ，４３ａ，４４ａ，４１ａとが備えられている。

＜水素排出流路の構成＞
前記水素排出流路Ｐは、燃料電池１０から排出された水素を、燃料電池自動車の外部に排出するまでの流路を形成するものであり、途中の分岐点ｃで水素希釈ラインと、分岐ラインとに分かれた後に接続点ｄで合流して外部に排出するように接続されている。この水素排出流路Ｐは、前記配管２４ａ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａと、希釈器４１と、第２リード弁４２と、水素リザーバ４３と、第１リード弁４４とから構成されている。なお、前記配管２４ａ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａは、円筒形、角筒形など特に形状は限定されないが、以下、円筒形状の場合を例に挙げて説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置における水素リザーバの設置状態を示す概略図である。

図２に示すように、水素排出流路Ｐにおける水素希釈ラインと分岐ラインとの分岐点ｃには、水素リザーバ４３とを接続し、水素の一部を水素リザーバ４３に導く配管（水素リザーバ入口流路）２４ｅ，４２ａが接続されている。その水素排出流路Ｐの分岐点ｃにおいて、水素リザーバ４３の水素リザーバ入口流路を構成する配管２４ｅ，４２ａが水素排出流路Ｐの流路方向（アノードオフガスの主流の流れ方向）に沿って設けられている。そして、分岐点ｃにある配管２４ｃ，２４ｅ，４２ａが略直線状に配設されて、流動抵抗を小さくすることによって、アノードオフガスが主流の流路方向にスムーズに流れるように設けられている。そして、希釈器４１に連通する配管２４ｄは、例えば、その流路方向に直交するように設けられている。なお、その配管２４ｅ，４２ａは、特許請求の範囲に記載の「水素リザーバ入口流路」に相当する。

配管２４ｃ，２４ｅから分岐する分岐点ｃにおいて、その分岐点ｃと希釈器４１との間の水素排出流路Ｐ（配管２４ｄ）の最小断面積ｓ１は、分岐点ｃと水素リザーバ４３との間の水素リザーバ入口流路（配管２４ｅ，４２ａ）の最小断面積ｓ２より小さく形成されている。すなわち、分岐ラインの配管２４ｅ，４２ａは、最小内径部の内径ｂが、希釈ラインの配管２４ｄの最小内径部の内径ａより大きく形成されて、水素パージ弁２４から流れて来たアノードオフガスが、動圧により第２リード弁４２側に流れ易いように形成されている。
なお、配管２４ｄの最小断面積ｓ１は、特許請求の範囲に記載の「水素排水流路の最小断面積」に相当し、配管２４ｅ，４２ａの最小断面積ｓ２は、特許請求の範囲に記載の「水素リザーバ入口流路の最小断面積」に相当する。

＜第１リード弁および第２リード弁の構成＞
図２に示すように、第１および第２リード弁４４，４２は、アノードオフガスを燃料電池１０側（システム側）から燃料電池自動車の外部に排出される側（水素リザーバ側）の方向の一方向に流れるように燃料電池１０に通じる水素排出流路Ｐ上に設置されている。第１および第２リード弁４４，４２は、アノードオフガスの流れに対して下流方向の一方向のみの流れを許容する逆流防止弁からなる。
第２リード弁４２は、水素リザーバ４３の入口の水素リザーバ入口流路（配管２４ｅ，４２ａ）に配設され、水素リザーバ４３への水素の流れ込みを規制するバルブである。この第２リード弁４２は、後記のように、その上流側の圧力とその下流側の圧力との差圧が第２所定圧力以上の場合に開くように構成されている。
第１リード弁４４は、水素リザーバ４３の出口の水素リザーバ出口流路（配管４３ａ，４４ａ）に配設されて、後記のように、その上流側の圧力とその下流側の圧力との差圧が第１所定圧力以上の場合に開くように構成されている。

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置における第２リード弁の一例を示す概略図である。
前記第２リード弁４２は、例えば、図３に示すように、ハウジング４２ｂの内部に、隔壁４２ｃを挟んで燃料電池１０側（システム側）の配管２４ｅに連通する第１連通孔４２ｄと、水素リザーバ４３側の配管４２ａに連通する第２連通孔４２ｅが形成され、隔壁４２ｃに、第１連通孔４２ｄを開閉する第２弁体４２ｆが設置されている。
例えば、第２リード弁４２は、第１連通孔４２ｄ内の圧力Ｐ１と、第２連通孔４２ｅ内の圧力Ｐ２との差圧ΔＰ（差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２）が第２弁体４２ｆのばね力（第２所定圧力）より大きくなったときに、第１連通孔４２ｄを閉塞していた第２弁体４２ｆが弾性変形して開口するようになっている。そして、第２リード弁４２は、差圧ΔＰが前記ばね力より低くなれば、第２弁体４２ｆがばね力によって第１連通孔４２ｄを閉塞して、アノードオフガスが水素リザーバ４３側から希釈器４１側に逆流することを防止するとともに、水素リザーバ４３内に入り込んだアノードオフガスがその水素リザーバ４３に貯留されるように入口を閉める機能を果している。

図１に示すように、前記第１リード弁４４は、上流側端部が水素リザーバ４３の出口に設けられた配管４３ａに接続され、下流側端部が希釈器４１の下流側に設けた排気用の配管４１ａに連通した配管４４ａに接続された逆流防止弁からなる。第１リード弁４４の第１弁体（図示せず）は、第２リード弁４２の第２弁体４２ｆ（図３参照）のばね力より大きなばね力を備え、第２弁体４２ｆとはばね定数が相違する弁体からなる。なお、第１リード弁４４は、アノードオフガスを第１所定圧力以内の圧力で水素リザーバ４３に貯留するためと、水素リザーバ４３に貯留されたアノードオフガスを一気に排出せず、第１リード弁４４の上流側の圧力が第１所定圧力以上になったときに、第１弁体が開いて少しずつ流れ出るようにするためと、この第１リード弁４４から流れ出たアノードオフガスが水素リザーバ４３側へ逆流するのを防止するためと、希釈器４１の下流側の配管４１ａからカソードオフガスが水素リザーバ４３に流れ込むのを防止するために設置されている。

＜水素リザーバの構成＞
水素リザーバ４３は、水素を含んだ多量のアノードオフガスが排気用の配管４１ａから一気に外部へ流れ出ないように、アノードオフガスを一時的に貯留して少しずつ排出するためのタンクである。この水素リザーバ４３は、前記分岐ラインに設けられ、入口が前記第２リード弁４２に連結され、出口が前記第１リード弁４４を介して希釈器４１の下流の配管４１ａに連結されている。水素リザーバ４３は、出口側の第１リード弁４４の開閉する第１所定圧力が、入口側の第２リード弁４２が開閉する第２所定圧力より高い弁圧に設定されていることにより、アノードオフガスを高圧で貯留できるようになっている。すなわち、水素リザーバ４３内に吹かれたアノードオフガスは、水素リザーバ４３内において、第２リード弁４２によって逆流が防止されるとともに、出口側の第１リード弁４４の開圧力になるまで貯留されて高圧となり、第１弁体（図示せず）のばね力を超えたときに配管４４ａ側に流れるようになっている。

＜希釈器の構成＞
図４は、希釈器の一例を示す一部断面を有する斜視図である。
図４に示すように、希釈器４１は、滞留器４１ｂと、滞留器４１ｂ内を所定に仕切る仕切板４１ｃと、配管２４ｄのパージ水素導入部と、配管３３ａのドライエア導入部と、配管３２ｄのカソードオフガス入口部とを、主に備えている。

滞留器４１ｂ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４１ｃは、滞留器４１ｂに内設され、前記内部空間を滞留器４１ｂの軸方向に不完全に仕切られている。さらに説明すると、仕切板４１ｃによって、滞留器４１ｂの内部空間は、上流側の滞留室４１ｅと下流側の滞留室４１ｆとに区画されており、滞留室４１ｅと滞留室４１ｆとは仕切板４１ｃの上方で連通している。

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２４ｄの下流端部分は、滞留器４１ｂの上流側の端板を貫通し、その先端が滞留室４１ｅ内に延びている。そして、配管２４ｄの先端から吹き出すアノードオフガスが、仕切板４１ｃに吹き付けられるように構成されている。

ドライエア（酸化剤ガス）が流通する配管３３ａの下流端部分（ドライエア導入部）は、ドライエアを滞留器４１ｂ内に導く部分であって、滞留器４１ｂの上流側の端板を貫通し、その先端が滞留室４１ｅ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、仕切板４１ｃに吹き付けられるように構成されている。

希釈用のカソードオフガス（希釈用ガス）が流通する配管（希釈用ガス流通部）３２ｄは、滞留器４１ｂの下部を軸方向に貫通している。そして、滞留器４１ｂ内の配管３２ｄには、滞留器４１ｂ内に滞留したアノードオフガスとドライエアとの混合ガスを、カソードオフガス流路（配管３２ｄ）に排出する水素排出口３２ｄ１と、滞留器４１ｂ内の水を外部に排出するための複数の水抜孔３２ｄ２，３２ｄ２と、が適所に形成されている。
そして、滞留器４１ｂ内を滞留し、ドライエアと混合することにより水素を希釈したアノードオフガスは、その後から導入されるドライエアによって、水素排出口３２ｄ１を介して配管３２ｄに押し出され、水素排出口３２ｄ１の下流側の配管３２ｄで、カソードオフガスによってさらに希釈された後、外部に排気されるようになっている。
なお、前記配管３２ｄを流通するカソードオフガスは、特許請求の範囲に記載の「希釈ガス」に相当する。

＜その他機器の構成＞
ＩＧ５２は、燃料電池自動車の起動スイッチであるとともに、燃料電池システムＳの起動スイッチである。そして、ＩＧ５２は、制御部６０と電気的に接続しており、制御部６０は、ＩＧ５２のＯＮ／ＯＦＦに連動している。なお、ＩＧ５２がＯＦＦされると、燃料電池１０は発電を停止するようになっている。
制御部６０は、例えば、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６０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。

≪排出ガス処理装置の動作≫
次に、図１を主に参照して、燃料電池１０の排出ガス処理装置４０の動作について説明する。
図１に示す水素パージ弁２４が開かれて水素パージがあると、高圧のアノードオフガスが、燃料電池１０から配管２４ａと、水素パージ弁２４と、配管２４ｃと、配管２４ｅと、第２リード弁４２を介して水素リザーバ４３に流れるとともに、前記配管２４ｃから分岐した配管２４ｄを介して希釈器４１に流れる。

このとき、アノードオフガスは、図２に示すように、分岐点ｃと希釈器４１との間の水素排出流路Ｐ（配管２４ｄ）の最小断面積ｓ１が、分岐点ｃと水素リザーバ４３との間の水素リザーバ入口流路(配管２４ｅ)の最小断面積ｓ２より小さく形成されていることにより、第２リード弁４２がある水素リザーバ４３側に多量に流れる。さらに、アノードオフガスは、水素リザーバ入口流路の分岐点ｃにおける向きが、分岐点ｃにおける水素排出流路Ｐ（配管２４ｅ）の流路方向の向きに沿って設けられていることにより、主流と同じ方向に流れるため、流動抵抗が小さく、第２リード弁４２側にスムーズに流れる。

アノードオフガスは、図３に示すように、第２リード弁４２の第１連通孔４２ｄ内の圧力Ｐ１と第２連通孔４２ｅ内の圧力Ｐ２との差圧ΔＰが、第２弁体４２ｆのばね力により大きくなると、第１連通孔４２ｄを閉塞していた第２弁体４２ｆが開いて、水素リザーバ４３内に流れ込む。
この水素リザーバ４３内に流れ込んだアノードオフガスは、出口側の第１リード弁４４の第１弁体（図示せず）のばね力が、入口側の第２リード弁４２の第２弁体４２ｆのばね力より大きく設定されていることにより、第１リード弁４４の開閉圧が、第２リード弁４２の開閉圧より高いため、第１リード弁４４の第１所定圧力分だけ高圧の状態に貯留される。

そして、水素リザーバ４３内に貯留されたアノードオフガスは、第１リード弁４４の開圧力になるまで貯留され続けて高圧となり、水素リザーバ４３の内圧が第１弁体（図示せず）のばね力を超えたときに、配管４４ａからゆっくりと少量ずつ配管４１ａ内のカソードオフガス内に排出された後、燃料電池自動車の外部に排出される。
このように、水素リザーバ４３内のアノードオフガスは、その水素リザーバ４３の出口側（下流側）の第１リード弁４４が開閉する弁圧を高く設定したことにより、水素パージ時に、少しずつ第１リード弁４４から流れ出るようになる。このため、分岐ラインにおける高濃度の水素を含んだアノードオフガスは、直接配管４１ａ内のカソードオフガス内に排出されて、水素濃度を低くしてから大気中に排出されるようになる。

一方、配管２４ｄから希釈器４１内へ流れるアノードオフガスは、分岐点ｃと希釈器４１との間の配管２４ｄの最小断面積ｓ１が、分岐点ｃと水素リザーバ４３の間の配管２４ｅの最小断面積ｂより小さく、かつ、水素リザーバ４３に貯留されることにより、多量のアノードオフガスが分岐ライン側に流れるように抑制される。このため、希釈器４１内へ流れる流量が少なくなっている。水素パージの際に、希釈器４１内へ入ったアノードオフガスは、滞留器４１ｂ内の水素濃度が一時的に高くなるが、その後、水素が希釈されるため、滞留器４１ｂ内の水素濃度が低くなる（図５参照）。
また、滞留器４１ｂ内には、配管３３ａからドライエアが送り込まれ、さらに、配管３２ｄ内には、カソードオフガスが流通する。このため、滞留器４１ｂ内に送り込まれた水素は、滞留室４１ｅ，４１ｆに滞留し、ドライエアによって混合および希釈された後、水素排出口３２ｄ１を通って、配管３２ｄに流れ込み、配管３２ｄ内のカソードオフガスによって希釈されて燃料電池自動車の外部に排気される。

図５は、パージ時の希釈器内と希釈器の下流とにおける水素濃度の変化を示すグラフであって、水素リザーバがある場合と水素リザーバがない場合とにおける水素濃度の変化を比較したグラフである。なお、図５に示す希釈器４１の下流の水素濃度Ｂは、図１に示す配管４１ａと配管４４ａと合流する接続点ｄより下流側の測定点で計測したデータである。

前記のように水素パージ弁２４が開くと、アノードオフガスが希釈器４１に流れ込んで水素が希釈される（図１参照）。そのアノードオフガスは、水素パージ弁２４が作動するパージフラグに追随するように希釈器４１内に流れ込むため、図５に示すように、一時期的に希釈器４１内の水素濃度Ａが上昇する。
その希釈器４１内の水素濃度Ａは、分岐ラインを備えていない比較例の希釈器４１内の水素濃度Ｃと比較して、水素リザーバ４３を分岐ラインに設けたことにより、希釈器４１に流れる流量が抑制されて少なくなるため、効率よく希釈されるようになる。その結果、希釈器４１で希釈される時間が短時間に縮小される。

また、希釈器４１の下流の配管４１ａから燃料電池自動車の外部に排出される水素濃度Ｂは、図５に示すように、水素リザーバ４３および分岐ラインを備えていない比較例の希釈器の下流の排気水素濃度Ｄと比較して、希釈処理効率が向上されたことにより、減少され、カソードオフガスによって希釈された後、排出される時間も短縮される。これにより、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が防止される。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。

前記した実施形態では、希釈器４１と、第２リード弁４２と、水素リザーバ４３と、第１リード弁４４とを備えた燃料電池１０の排出ガス処理装置４０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Ｓ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。

また、図１に示す第１リード弁４４の下流側に設置された配管４４ａは、接続点ｄで配管４１ａに接続することに限定されるものではなく、例えば、上流側端部を第１リード弁４４に接続して、下流側端部を希釈器４１に接続してもよい。このようにすることにより、分岐ラインを通って水素リザーバ４３に貯留されたアノードオフガスが、パージ時後に、配管２４ｄからアノードオフガスが希釈器４１に流れ込むタイミングと、時間をずらして少量ずつ希釈器４１に流れるようになるので、一気に外部に排出されることが防止されるとともに、水素が効率よく希釈されてから配管４１ａを介して外部に排出されるようになる。

また、前記した実施形態では、第１リード弁４４と第２リード弁４２と水素リザーバ４４とを設けた分岐ライン（配管２４ｅ，４２ａ，４３ａ，４４ａ）を、水素排出流路Ｐに１つ備えた場合を説明したが、分岐ラインは複数であってもよい。このようにすることにより、希釈器４１に流れる流量を適宜に調整することができる。

図２に示すように、水素排出流路Ｐが水素希釈ラインの配管２４ｄと分岐ラインの配管２４ｅとに分かれる分岐点ｃは、配管２４ｃに対して配管２４ｅを直線状に設けて、その配管２４ｃ，２４ｅに対して配管２４ｅが直交するようにＴ字型継手によって接続される一例を挙げて説明したがこれに限定されるものではない。例えば、配管２４ｅは、配管２４ｃに対して円弧状に曲げた状態に設けてもよく、また、配管２４ｄは、Ｙ字型継手などによって配管２４ｃ，２４ｅに対して斜めに配置してもよい。

本実施形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置における水素リザーバの設置状態を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置における第２リード弁の一例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の排出ガス処理装置における希釈器の一例を示す一部断面を有する斜視図である パージ時の希釈器内と希釈器の下流とにおける水素濃度の変化を示すグラフであって、水素リザーバがある場合と水素リザーバがない場合とにおける水素濃度の変化を比較したグラフである。

符号の説明

１０ 燃料電池
１２ アノード
２４ 水素パージ弁
２４ａ，２４ｃ 配管
２４ｄ 配管（希釈器流入流路）（水素希釈ライン）
２４ｅ，４２ａ 配管（水素リザーバ入口流路）（分岐ライン）
４０ 排出ガス処理装置
４１ 希釈器
４１ａ 配管（希釈器の下流側配管）
４２ 第２リード弁
４３ 水素リザーバ
４３ａ，４４ａ 配管（水素リザーバ出口流路）（分岐ライン）
４４ 第１リード弁
ｃ 分岐点
Ｐ 水素排出流路
Ｓ 燃料電池システム
ｓ１ 最小断面積（分岐点と希釈器との間の水素排出流路の最小断面積）
ｓ２ 最小断面積（分岐点と水素リザーバとの間の水素リザーバ入口流路の最小断面積）

Claims (1)

1. 燃料電池のアノードから排出された水素が流れ、分岐点で分岐した水素希釈ラインと分岐ラインとを有する水素排出流路と、
   前記分岐点の上流側の前記水素排出流路に設けられ、水素を排出する場合に開くパージ弁と、
   前記水素希釈ラインに設けられ、水素と希釈用ガスとを混合することで、前記水素を希釈する希釈器と、
   前記分岐ラインに設けられ、水素を蓄える水素リザーバと、
   前記水素リザーバの下流側の前記分岐ラインに設けられ、その上流側の圧力とその下流側の圧力との差圧が第１所定圧力以上の場合に開くばね力を有する第１リード弁と、
   前記水素リザーバの上流側の前記分岐ラインに設けられ、その上流側の圧力とその下流側の圧力との差圧が第２所定圧力以上の場合に開くばね力を有する第２リード弁と、
   を備え、
   前記分岐ラインの前記分岐点における向きは、前記分岐点に向かう前記水素排出流路に直線的であり、
   前記分岐点と前記希釈器との間における前記水素希釈ラインの最小断面積は、前記分岐点と前記水素リザーバとの間における前記分岐ラインの最小断面積よりも小さく、
   前記分岐ラインの下流端は、前記希釈器又は前記希釈器の下流側の前記水素希釈ラインに接続され、
   前記第１所定圧力は、前記第２所定圧力よりも高い
   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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