(57)【要約】【課題】燃料電池から排出される排ガスにおいて、高濃度の水素が大気中に放出される虞のない燃料電池の排出ガス希釈装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の燃料電池の排ガス希釈装置において、拡張部１０は、第１拡張室１４と第２拡張室１６とを有し、第１拡張室１４は、第２拡張室１６を囲むように配置され、水素含有ガスを導入する水素導入部１８と、合流部１２と連通する第１合流部連通孔（２０ａ，２０ｂ）と、を有し、第２拡張室１６は、直方体であり、第１拡張室１４と連通する拡張部連通孔と、合流部１２と連通する第２合流部連通孔２２と、を有し、拡張部連通孔は、第２合流部連通孔２２が形成される面と対向する面に形成される第１拡張部連通孔２４と、第２合流部連通孔２２が形成される面と対向しない面に形成される第２拡張部連通孔２６と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出された水素含有ガスを導入して滞留させる拡張部と、
前記拡張部の水素含有ガスを前記燃料電池から排出されたカソードガスと合流させる合流部と、を備え、
前記拡張部は、第１拡張室と第２拡張室とを有し、
前記第１拡張室は、前記第２拡張室を囲むように配置され、前記水素含有ガスを導入する水素導入部と、前記合流部と連通する第１合流部連通孔と、を有し、
前記第２拡張室は、直方体であり、前記第１拡張室と連通する拡張部連通孔と、前記合流部と連通する第２合流部連通孔と、を有し、
前記拡張部連通孔は、前記第２合流部連通孔が形成される面と対向する面に形成される第１拡張部連通孔と、前記第２合流部連通孔が形成される面と対向しない面に形成される第２拡張部連通孔と、を有することを特徴とする燃料電池の排ガス希釈装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の排ガス希釈装置であって、前記第１合流部連通孔は、少なくとも前記合流部に流れるガスの上流側及び下流側に設けられ、前記下流側の第１合流部連通孔の断面積は、前記上流側の第１合流部連通孔の断面積より大きいことを特徴とする燃料電池の排ガス希釈装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の排ガス希釈装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車等に搭載される燃料電池システムにおいて、例えば純水素（以下、単に水素と云う場合がある）を燃料とした場合、燃料電池のアノード側から排出された未反応の水素を含むガスを再度アノード側に供給する循環システムが設けられ、水素の利用効率の向上が図られている。しかし、アノード側から排出された未反応の水素を含むガスの循環を長時間に亘って行うと、窒素や燃料電池の発電時に生ずる生成水等の不純物がガス中に混入してしまい、その結果、発電効率が低下する場合がある。
【０００３】
そこで、このような燃料電池システムでは、不純物が増加した水素を含むガスを排ガスとして大気中に排出する操作が必要となるが、該排ガス中には高濃度の水素ガスが含まれている。そのため、排ガスの大気中への排出に際しては、それに含まれる水素ガスを安全上問題のない程度にまで希釈する必要がある。そして従来から、燃料電池から排出される水素含有ガスを希釈する希釈装置がいくつか提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６７４７号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６４１号公報
【特許文献３】特開２００４−１２７６２１号公報
【特許文献４】特開２００６−３４４４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池から排出される水素含有ガスにおいて、高濃度の水素が大気中に放出される虞のない燃料電池の排出ガス希釈装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池の排ガス希釈装置は、燃料電池から排出された水素含有ガスを導入して滞留させる拡張部と、前記拡張部の水素含有ガスを前記燃料電池から排出されたカソードガスと合流させる合流部と、を備え、前記拡張部は、第１拡張室と第２拡張室とを有し、前記第１拡張室は、前記第２拡張室を囲むように配置され、前記水素含有ガスを導入する水素導入部と、前記合流部と連通する第１合流部連通孔と、を有し、前記第２拡張室は、直方体であり、前記第１拡張室と連通する拡張部連通孔と、前記合流部と連通する第２合流部連通孔と、を有し、前記拡張部連通孔は、前記第２合流部連通孔が形成される面と対向する面に形成される第１拡張部連通孔と、前記第２合流部連通孔が形成される面と対向しない面に形成される第２拡張部連通孔と、を有する。
【０００７】
また、前記燃料電池の排ガス希釈装置において、前記第１合流部連通孔は、少なくとも前記合流部に流れるガスの上流側及び下流側に設けられ、前記下流側の第１合流部連通孔の断面積は、前記上流側の第１合流部連通孔の断面積より大きいことが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池から排出される排ガスにおいて、高濃度の水素が大気中に放出される虞のない燃料電池の排ガス希釈装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池の排ガス希釈装置の構成の一例を示す透過模式図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池の排ガス希釈装置を搭載した燃料電池の構成の一例を示す透過模式図である。
【図３】従来の燃料電池の排ガス希釈装置の構成を示す透過模式図である。
【図４】従来の燃料電池の排ガス希釈装置の構成を示す透過模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る燃料電池の排ガス希釈装置の構成の一例を示す透過模式図である。図１に示すように、燃料電池の排ガス希釈装置１は、燃料電池から排出された水素ガスを導入して滞留させる拡張部１０と、拡張部１０内の水素含有ガスを燃料電池から排出されるカソードガスと合流させる合流部１２と、を備える。
【００１２】
図１に示すように、拡張部１０は第１拡張室１４と第２拡張室１６とを有する。そして、第１拡張室１４は直方体の第２拡張室１６を囲むように配置され、断面コの字型の構造となっている。第１拡張室１４には水素導入部１８が設けられている。水素導入部１８には、不図示の水素ガス排出路が接続されている。水素ガス排出路は、燃料電池から排出される水素含有ガスの流路である。また、第１拡張室１４には、合流部１２と連通する第１合流部連通孔２０ａ，２０ｂが設けられており、第１拡張室１４内の水素含有ガスが合流部１２に流れ込むようになっている。
【００１３】
第２拡張室１６には、第１拡張室１４と連通する拡張部連通孔（２４，２６）と、合流部１２と連通する第２合流部連通孔２２とが設けられている。拡張部連通孔は、第２合流部連通孔２２が形成される面（図１においては第２拡張室１６の底面）と対向する面（図１においては第２拡張室１６の上面）に形成される第１拡張部連通孔２４と、第２合流部連通孔２２が形成される面と対向しない面（図１においては第２拡張室１６の側面）に形成される第２拡張部連通孔２６と、を有する。第１及び第２拡張部連通孔（２４，２６）から第２拡張室１６に流入した水素含有ガスは、第２合流部連通孔２２から合流部１２に流れ込むようになっている。
【００１４】
合流部１２には、燃料電池から排出されたカソードガス（例えば、空気）を導入する導入部２８と、水素含有ガス及びカソードガスの混合ガスを排出する排出部３０とが設けられている。導入部２８には、不図示のカソードガス排出路が接続されている。カソードガス排出路は、燃料電池から排出されるカソードガスの流路である。また、排出部３０には、混合ガスを大気中に放出するための放出路（不図示）が接続されている。
【００１５】
以下に、本実施形態に係る燃料電池の排ガス希釈装置１の動作を説明する。
【００１６】
燃料電池から排出された水素含有ガスが水素ガス排出路（不図示）へ排出されると共に、燃料電池から排出されたカソードガスがカソードガス排出路（不図示）へ排出される。一般的には、水素ガス排出路にパージ弁を設け、一定時間毎にパージ弁を所定時間だけ開放することにより、水素含有ガスが間欠的に燃料電池から排出される。
【００１７】
このようなパージ操作は、不純物が混入した水素含有ガスが燃料電池へ再度供給されることを避けるためである。なお、本実施形態において、水素含有ガスの排出流量及びパージサイクルは特に制限されるものではないが、例えば、排出流量は３２Ｌ／ｍｉｎで、パージサイクルは、水素ガスパージ後０．８秒で水素ガスパージを停止し、２０秒〜２０．８秒後、再び水素ガスパージを行うサイクルを繰り返すものである。また、カソードガス排出流量も特に制限されるものではないが、例えば、２００Ｌ／ｍｉｎである。
【００１８】
水素ガス排出路を流れる水素含有ガスは、水素導入部１８から第１拡張室１４内へ導入される。また、カソードガス排出路を流れるカソードガスは、導入部２８から合流部１２内へ導入され、合流部１２内を排出部３０に向かって流れる。拡張部１０内の水素含有ガスは、合流部１２内のカソードガスの流れによって生じる負圧によって、合流部１２に向かって流れる。すなわち、第１拡張室１４内の水素含有ガスの一部は、第１合流部連通孔２０ａ，２０ｂから合流部１２に流れ込む。また、第１拡張室１４内の水素含有ガスの一部は、第１拡張部連通孔２４及び第２拡張部連通孔２６から第２拡張室１６内を流れ、第２合流部連通孔２２から合流部１２に流れ込む。第２拡張室１６内では、第１拡張部連通孔２４からの水素含有ガスの噴流の流速が、第２拡張部連通孔２６からの水素含有ガスの噴流により低減される。ここで、第２拡張部連通孔２６は対向する面にそれぞれ３個ずつ設けられることが好ましい。第２拡張部連通孔２６が１，２個であると、第１拡張部連通孔２４からの水素含有ガスの噴流の流速を十分に低減することができない場合がある。
【００１９】
このように、本実施形態の拡張部１０では、第１拡張室１４内の水素含有ガスを第２拡張室１６内に流れ込ませると共に、第２拡張室１６内に流れ込む水素含有ガスの流速、特に第１拡張部連通孔２４から流れ込む水素含有ガスの流速を低減させている。そのため、拡張部１０は、第１合流部連通孔２０ａ，２０ｂ及び第２合流部連通孔２２近傍の水素濃度を低減させることができ、第１拡張室１４内及び第２拡張室１６内で水素含有ガスを滞留させ易い。その結果、第１合流部連通孔２０ａ，２０ｂ及び第２合流部連通孔２２から合流部１２へ徐々に水素含有ガスを放出させることができるため、合流部１２内で水素含有ガスをカソードガスによって十分に希釈させることができ、常に低濃度の水素を大気中に放出させることができる（例えば、合流部１２から排出されるガスの水素モル分率が常に２％以下となる）。
【００２０】
また、水素ガスパージ後直ぐ（０．８秒後）には、拡張部１０と合流部１２との間でそれほど圧力差がついていないため、上記説明したように急激に拡張部１０から合流部１２へ水素含有ガスが流れ込むことはないが、水素ガスパージ後しばらく経過（６秒後）すると、拡張部１０と合流部１２との間で圧力差がついており、合流部１２から拡張部１０へカソードガスが流入し、拡張部１０内が換気される。このように所定時間経過後に拡張部１０がカソードガスによって換気されないと、拡張部１０内に水素含有ガスがいつまでも残ってしまうこととなる。そうすると、次の水素ガスパージにより拡張部１０内に供給される水素含有ガスによって、拡張部１０内の水素濃度が高くなり、常に低濃度の水素を大気中に放出することが困難となる。本実施形態では、水素ガスパージから所定時間経過後（１６秒後）には、拡張部１０内の水素含有ガスはカソードガスによってほぼ完全に換気される。カソードガスによる換気において、カソードガスは、主に下流側の第１合流部連通孔２０ｂから第１拡張室１４内に入り、上流側の第１合流部連通孔２０ａ又は第２合流部連通孔２２から合流部１２へ排出される。
【００２１】
本実施形態に係る燃料電池の排ガス希釈装置１において、上流側に設けられる第１合流部連通孔２０ａの断面積は、合流部１２に流れるガスの下流側に設けられる第１合流部連通孔２０ｂの断面積より小さいことが好ましく、上流側の第１合流部連通孔２０ａの断面積は、下流側の第１合流部連通孔２０ｂの断面積より１／２倍程度小さいことがより好ましい。具体的には、下流側の第１合流部連通孔２０ｂの断面積を３６ｍｍ２とし、上流側の第１合流部連通孔２０ａの断面積を１６ｍｍ２程度とする。一般的に、合流部１２の上流側の方が合流部１２の下流側の方より、拡張部１０と合流部１２との圧力差が大きいため、水素含有ガスは下流側より上流側の第１合流部連通孔２０ａから合流部１２へ排出され易い。そのため、上記説明したように上流側の第１合流部連通孔２０ａの断面積を小さくすることにより、上流側の第１合流部連通孔２０ａから合流部１２へ多量の水素含有ガスが流れ出すことを抑制することができる。さらに、上流側の第１合流部連通孔２０ａの断面積を下流側の第１合流部連通孔２０ｂの断面積より１／２程度小さくすることにより、各第１合流部連通孔から均等に水素含有ガスを放出することが可能となる。なお、第２合流部連通孔２２の断面積は特に制限されるものではないが、下流側の第１合流部連通孔２０ｂの断面積と同程度であることが好ましい。すなわち、下流側の第１合流部連通孔２０ｂの断面積を３６ｍｍ２とした場合、第２合流部連通孔２２の断面積も３６ｍｍ２程度とすることが好ましい。
【００２２】
また、上記のように、上流側の第１合流部連通孔２０ａの断面積を下流側の第１合流部連通孔２０ｂの断面積より小さくしても、水素ガスパージから所定時間経過後（１６秒後）には、拡張部１０内の水素含有ガスはカソードガスによりほぼ完全に換気される。カソードガスによる換気において、カソードガスは、主に下流側の第１合流部連通孔２０ｂから第１拡張室１４内に入り、第２合流部連通孔２２から合流部１２へ排出される。
【００２３】
また、本実施形態に係る燃料電池の排ガス希釈装置１において、合流部１２の導入部２８及び排出部３０を絞り形状とすること、すなわち導入部２８及び排出部３０の開口断面積を合流部１２の断面積より小さくすることが好ましい。これにより、水素含有ガスが、合流部１２内で良く撹拌されながら排出部３０に達するため、排出部３０から排出されるガスの平均水素モル分率と最大水素モル分率との差を小さくすることができる。また、このような構成により、カソードガスによる換気効率を向上させることができる。
【００２４】
排ガス希釈装置は、燃料電池システムボックス（ＦＣシステムボックス）の中に入るため、平坦にして搭載性を良くする必要がある。また、平坦にすると容積も稼げる。そして、本実施形態の排ガス希釈装置は、図２に示すように燃料電池スタック（ＦＣスタック）の側面の下に収められ、搭載性と希釈性能の両立を可能とする。
【００２５】
図３及び４は、従来の燃料電池の排ガス希釈装置の構成を示す透過模式図である。図３及び図４に示す従来の燃料電池の排ガス希釈装置２，３は、燃料電池から排出された水素ガスを導入して滞留させる拡張部３２と、拡張部３２内の水素含有ガスを燃料電池から排出されるカソードガスと合流させる合流部３４と、を備える。拡張部３２には、水素導入部３３が設けられている。但し、拡張部３２は、図１に示す本実施形態の燃料電池の排ガス希釈装置１のように、第１及び第２拡張部（１４，１６）を備えず、単一直方体の拡張部である。また、拡張部３２には、合流部３４と連通する上流側及び下流側合流部連通孔（３６ａ，３６ｂ）が設けられており、拡張部３２内の水素含有ガスが合流部３４に流れ込むようになっている。また、図３に示す従来の燃料電池の排ガス希釈装置２では、合流部３４の導入部３８ａ及び排出部４０ａを絞り形状とせず、図４に示す従来の燃料電池の排ガス希釈装置３では、合流部３４の導入部３８ｂ及び排出部４０ｂを絞り形状としている。
【００２６】
図３に示す従来の燃料電池の排ガス希釈装置２では、拡張部３２が、図１に示す第１拡張室１４と第２拡張室１６とを有する構成となっていないため、燃料電池から排出される水素含有ガスを拡張部３２内で十分に滞留させることができない。そのため、水素ガスパージ後直ぐ（パージから０．８秒までの間）に、拡張部３２と合流部３４との間に圧力差が発生し、水素含有ガスが、拡張部３２から合流部３４へ容易に流れ出てしまう。これは、拡張部３２の合流部連通孔３６ａ，３６ｂ近傍の水素含有ガス濃度が高いためである。また、水素ガスパージから１秒後には、水素含有ガスが拡張部３２から合流部３４へある程度流れてしまい、その後、拡張部３２と合流部３４との間で圧力差がほとんどなくなってしまう。そのため、拡張部３２内に残留した水素含有ガスは、カソードガスにより換気され難くなっている。
【００２７】
図４に示す従来の燃料電池の排ガス希釈装置３の拡張部３２も上記同様に、燃料電池から排出される水素含有ガスを拡張部３２内で十分に滞留させることができない。但し、図４に示す従来の燃料電池の排ガス希釈装置３では、導入部３８ｂ及び排出部４０ｂを絞り形状としているため、拡張部３２から流れ込む水素含有ガスが、合流部３４内で良く撹拌されながら排出部４０ｂに達する。その結果、図３に示す従来の燃料電池の排ガス希釈装置２より、排出部４０ｂから排出されるガスの平均水素モル分率と最大水素モル分率との差を小さくすることができる。また、図４に示す従来の燃料電池の排ガス希釈装置３では、水素ガスパージからしばらく経過すると、合流部３４内のカソードガスが下流側の第１合流部連通孔３６ｂから拡張部３２内へ入り、上流側の合流部連通孔３６ａから合流部３４へ排出される。その結果、図３に示す従来の燃料電池の排ガス希釈装置２より、拡張部３２内に残留した水素含有ガスは、カソードガスにより換気され易い。しかし、上記従来の燃料電池の排ガス希釈装置２，３の拡張部３２は、上記説明した（図１に示す）第１拡張室１４及び第２拡張室１６を備えていないため、常に低濃度の水素を大気中に放出すること、水素ガスパージから所定時間経過後に、拡張部内の水素含有ガスをカソードガスによってほぼ完全に換気することは困難である。
【００２８】
本実施形態の燃料電池の排ガス希釈装置は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等に使用される燃料電池システムに用いられる。
【符号の説明】
【００２９】
１，２，３  燃料電池の排ガス希釈装置、１０，３２  拡張部、１２，３４  合流部、１４  第１拡張室、１６  第１拡張室、１８，３３  水素導入部、２０ａ，２０ｂ  第１合流部連通孔、２２  第２合流部連通孔、２４  第１拡張部連通孔、２６  第２拡張部連通孔、２８，３８ａ，３８ｂ  導入部、３０，４０ａ，４０ｂ  排出部、３６ａ，３６ｂ合流部連通孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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