(57)【要約】      （修正有）【課題】装置内での圧力損失や水分の凍結等がなく、かつ、被希釈ガスを効率よく確実に希釈できる燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置。【解決手段】前記被希釈ガスと希釈ガスとを混合する混合部は被希釈ガス導入管と、希釈ガス導入管および前記混合部内の混合ガスを排出するための混合ガス排出管とを有し、前記被希釈ガス導入管の管断面積が混合部との接続箇所に向けて大きくなっている断面拡大部を有していることを特徴とする燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
被希釈ガスと希釈ガスとを混合するための燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置であって、
前記被希釈ガスと希釈ガスとを混合する混合部と、前記被希釈ガスを前記混合部に導入するための被希釈ガス導入管と、前記希釈ガスを前記混合部に導入するための希釈ガス導入管と、前記混合部内の混合ガスを排出するための混合ガス排出管とを有し、
前記被希釈ガス導入管が、被希釈ガスを混合部へ導入するための被希釈ガス配管部と、前記被希釈ガス配管部の下流側に接続される断面拡大部とを有し、
前記断面拡大部は、前記被希釈ガス配管部の下流側に接続される上流側開口部と、前記混合部に接続される下流側開口部とを有し、
前記断面拡大部の前記下流側開口部の前記被希釈ガス導入管の軸に垂直な断面の断面積が、前記断面拡大部の前記上流側開口部の前記被希釈ガス導入管の軸に垂直な断面の断面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置。
【請求項２】
前記断面拡大部の前記被希釈ガス導入管の軸に垂直な断面の断面積が、前記被希釈ガス配管部側から前記混合部側へと連続的に増加していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置。
【請求項３】
前記混合部には、希釈ガス導入管の端部に設けられた導入貫入部が貫入されており、
前記導入貫入部の端部には、開口部である導入管開口部が設けられ、
前記被希釈ガス導入管の下流側開口部が、前記導入管開口部よりも希釈ガスの流れの上流側に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムからパージされる水素ガスを希釈するために用いられる燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の動力源として用いられる燃料電池システムでは、燃料として用いられる水素を循環させて再利用することにより、燃料利用効率を向上している。このような燃料電池システムにおいては、一時的に低下した燃料電池の電圧を回復させる場合や、車両停車時に、燃料電池の両極間の差圧が過大になることを防止するために循環系の水素の一部を系の外部に放出する動作であるパージを行う必要がある。
【０００３】
上記循環系からパージされたガスは高濃度の水素を含むガスであり、そのまま大気中に放出されると、何らかの火種により水素が燃焼してしまう危険性がある。そのため、大気中に放出される前にパージされたガスを希釈して、含有される水素の濃度を燃焼限界よりも低くする必要があり、パージガスを希釈する希釈装置が用いられている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、パージされたガスを滞留させる滞留領域と、上記滞留領域からパージされたガスと空気とを混合して希釈する希釈領域と、上記滞留領域から希釈領域へパージされたガスを通流させる通流部とが設けられた希釈装置が開示されている。しかしながらこれは、仕切られた２つの空間の一部を通流部により連結する必要があるなど、構造が複雑であり、製造が困難である。また、この装置には通流部などのような、小さな孔をガスが通流する箇所が多く、このような孔付近には湿気が溜まり、低温時には凍結してしまい、流路を閉塞してしまうといった不具合が生じる可能性もある。
【０００５】
上記特許文献１に開示されている希釈装置を含む従来の希釈装置においては、パージガスを希釈装置へ導入するための配管には断面積が小さな直管が通常用いられているため、上記配管よりも大幅に大きな断面積を有する希釈装置の希釈容器内へ導入される際に、パージガスの流路の断面積が急激に拡大することに起因する不具合が発生する場合がある。例えば、一般的な希釈装置においては、パージガスを希釈容器へ導入するための配管の断面積よりも希釈容器の断面積の方が大きいため、希釈容器に導入されたパージガスの体積は急激に拡大して圧力が低下するが、上記断面積差が大きいとパージガスの圧力が急激に低下してパージガス流中に渦が生じる。このような渦が発生すると、上記断面積差に伴う圧力の低下以上に大幅な圧力損失が発生し、燃料電池システムの循環系内の圧力と上記循環系の外部（パージガス配管等）の圧力との差が小さくなって循環系内のガスが排出されにくくなる。そのため、循環系内のガスを滞りなく排出するためには、循環系からの排出弁の開口部の径を大きくする必要があり、装置の大型化につながってしまう。
【０００６】
また、パージガスには水分が含まれており、流速が一定以上である場合は水蒸気の状態でパージガスと共に移動する。しかしながら、上記配管と希釈容器との接続部付近では流速が急激に減少するため、パージガス中の水分は水滴となり上記接続部付近に留まる場合がある。このような状態が低温雰囲気下で発生すると、上記接続部付近に溜まった水が凍結して配管を閉塞してしまう可能性がある。
【０００７】
さらに、従来の希釈装置では、パージガスと、パージガスの希釈に用いる空気とは、希釈容器の同一側面上の異なる位置から同じ向きで希釈容器へ導入されることが多い。そのため、パージガスは希釈容器内の空気の流れに対して偏った場所に導入されることとなり、希釈容器内でも十分に希釈されず、希釈容器からの排出ガス内においてもパージガス濃度の偏りが生じてしまう場合がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１３２９１５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、希釈装置内での圧力損失や水分の凍結等の不具合がなく、かつ、被希釈ガスを効率よく確実に希釈できる燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、被希釈ガスと希釈ガスとを混合するための燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置であって、上記被希釈ガスと希釈ガスとを混合する混合部と、上記被希釈ガスを前記混合部に導入するための被希釈ガス導入管と、上記希釈ガスを上記混合部に導入するための希釈ガス導入管と、上記混合部内の混合ガスを排出するための混合ガス排出管とを有し、上記被希釈ガス導入管が、被希釈ガスを混合部へ導入するための被希釈ガス配管部と、上記被希釈ガス配管部の下流側に接続される断面拡大部とを有し、上記断面拡大部は、上記被希釈ガス配管部の下流側に接続される上流側開口部と、上記混合部に接続される下流側開口部とを有し、上記断面拡大部の上記下流側開口部の上記被希釈ガス導入管の軸に垂直な断面の断面積が、上記断面拡大部の上記上流側開口部の上記被希釈ガス導入管の軸に垂直な断面の断面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置を提供する。
【００１１】
本発明の燃料電池システム用燃料排ガス希釈装置（以下、単に希釈装置と称する場合がある。）においては、被希釈ガス導入管に断面拡大部が設けられているため、上記混合部に被希釈ガスが導入される際、被希釈ガス流路の断面積は緩やかに拡大する。そのため、被希釈ガス流路の断面積が急激に拡大することに起因する、圧力損失や水分の凍結等の不具合を防止することができる。また、被希釈ガスが混合部へ導入される開口部である上記断面拡大部の下流側開口部の断面積が大きいため、被希釈ガスが導入される際の、希釈ガスの流れに対する偏りが少なく、被希釈ガスを希釈ガスで確実に希釈することができる。
【００１２】
上記発明においては、前記断面拡大部の前記被希釈ガス導入管の軸に垂直な断面の断面積が、前記被希釈ガス配管部側から前記混合部側へと連続的に増加していることが好ましい。上記断面拡大部の断面積が連続的に増加することにより、被希釈ガス流路の断面積も緩やかに拡大するため、より効果的に上記不具合を解消することができる。
【００１３】
また、本発明においては、上記混合部には、希釈ガス導入管の端部に設けられた導入貫入部が貫入されており、上記導入貫入部の端部には、開口部である導入管開口部が設けられ、上記被希釈ガス導入管の下流側開口部が、上記導入管開口部よりも希釈ガスの流れの上流側に設けられていることが好ましい。このような構成にすることにより、希釈ガスが希釈ガス導入管から混合ガス排出管へと直接流れるのではなく、導入後に乱流となって被希釈ガスを巻き込んだ状態で混合ガス排出管へと排出される。そのため、希釈ガスを乱流の状態で混合部内に長い時間滞留させ、その乱流内へ被希釈ガスを導入することにより、被希釈ガスを希釈ガスとより確実に混合することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の希釈装置は、圧力損失や水分の凍結等の不具合を防止することが可能であり、かつ、被希釈ガスを効率よく確実に希釈できるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の希釈装置は、燃料電池システムから排出される燃料（水素）を含むガスを希釈するために用いられるものであり、例えば図１に例示するような、自動車等に搭載される燃料電池システムから排出される水素を含むガスの希釈に用いることができる。図１に示すように、燃料電池システムの燃料極から排出される燃料極オフガス（被希釈ガス）は希釈装置によって希釈された後、大気中へ放出される。
【００１６】
以下、本発明の希釈装置の構成について、図を用いて具体的に説明する。
図２〜４は、本発明の希釈装置の一例を示す概略構成図である。図２〜４に示すように、本発明の希釈装置１は、被希釈ガスと希釈ガスとを混合する混合部２と、上記被希釈ガスを混合部２に導入するための被希釈ガス導入管３と、上記希釈ガスを混合部２に導入するための希釈ガス導入管４と、上記混合部２内の混合ガスを排出するための混合ガス排出管５とが設けられている。さらに、上記被希釈ガス導入管３は、被希釈ガスを混合部２へ導入するための被希釈ガス配管部６と、上記被希釈ガス配管部６の下流側に接続されている断面拡大部９とから構成されており、上記断面拡大部９は、上記被希釈ガス配管部６の下流側に接続されている上流側開口部７と、上記混合部２に接続されている下流側開口部８とを有する。また、上記希釈ガス導入管４の端部には、上記混合部２内に貫入されている導入貫入部１０が設けられており、希釈ガスは上記導入貫入部１０の端部に設けられた導入管開口部１１を介して、希釈ガス導入管４から混合部２へ導入される。
【００１７】
本発明において、上記断面拡大部９は、混合部２との接続部である下流側開口部８の断面積が、被希釈ガス配管部６との接続部である上流側開口部７の断面積よりも大きくなるように形成されている。このように断面拡大部９は、上流側から下流側へ断面積が増加する形状であるため、上記被希釈ガス配管部６から断面拡大部９へ導入され、断面拡大部９を通過する被希釈ガスのガス流路の断面積は徐々に拡大し、被希釈ガスが混合部２へ導入されると、被希釈ガスのガス流路の断面積は更に拡大する。本発明においては被希釈ガスが、ガス流路がある程度拡大された状態で混合部２へ導入されるため、従来の希釈装置で発生するような、被希釈ガスのガス流路の断面積が急激に拡大することに起因する不具合を防止することができる。なお、本発明において断面積とは、特に限定していない場合は被希釈ガス導入管３の軸に垂直な断面の面積を意味するものとする。
【００１８】
本発明の希釈装置は、上述したように混合部へ導入される際の、被希釈ガスのガス流路の断面積が急激に拡大することが防止されているため、以下のような利点を有する。まず、混合部内の、被希釈ガスが導入される箇所付近における渦の発生を防止できるため、渦の発生に伴う大幅な圧力損失を防止することができる。これにより、被希釈ガスが排出される燃料電池システム内外の圧力差を維持することができ、燃料電池システムからの排気を円滑に行なえるため、排気弁を小型化することができる。
【００１９】
また、本発明における断面拡大部の下流側開口部は従来の希釈装置における被希釈ガス導入口の開口部と比べて大幅に大きく、混合部の断面積により近い断面積を有するため、混合部内の希釈ガスの流れに対する偏りが少ない状態で被希釈ガスを導入することができる。それにより、混合部の被希釈ガス導入部付近においても被希釈ガスの濃度分布を均一にすることができ、混合部内の空間を有効に活用することができる。そのため、狭い空間でより多くの被希釈ガスを確実に希釈することが可能になり、排出される被希釈ガスの量が同じ場合でも従来よりも混合部を小さくすることができ、希釈装置を小型化することができる。
【００２０】
さらに、本発明の希釈装置においては、被希釈ガスのガス流路の断面積の急激な拡大に伴う急激な流速の減少も防止できるため、被希釈ガスに含まれる水分が被希釈ガス導入管の出口付近に付着したり、付着した水分が凍結して被希釈ガス導入管を閉塞したりする等の不具合を防止することができる。また、断面拡大部と混合部との接続部分を丸みを帯びた形状にすることにより、水分の付着等をさらに効果的に防止することができる。加えて、断面拡大部の下流側開口部の断面積は大きいため、水分が付着等した場合でも下流側開口部が閉塞される可能性は少なく、被希釈ガスを滞りなく混合部へ導入することができる。
【００２１】
本発明において、上記断面拡大部の形状は、混合部との接続部である下流側開口部の断面積が、被希釈ガス配管部との接続部である上流側開口部の断面積よりも大きい形状であれば特に限定されるものではない。例えば、図５（ａ）および（ｂ）に例示するように、断面拡大部９が、被希釈ガス導入管３と混合部２との接続部の近傍に設けられているものや、図５（ｃ）および（ｄ）に例示するように、断面拡大部９がより上流側から形成されているもの等を挙げることができる。このように、断面積が連続的に変化する断面拡大部９の形状は、図５（ａ）および（ｃ）のように断面積が直線的に増加するものと、図５（ｂ）および（ｄ）のように断面積が曲線的に増加するものとに分類することができる。また、図５（ｅ）に例示するように、断面積が段階的に増加するものでもよい。さらに、断面拡大部９は、図５（ｆ）に例示するように、被希釈ガス配管部の中心軸に対して対称な形状でなくてもよい。本発明に用いられる断面拡大部９の形状は、上記形状の中でも、断面積が連続的に増加するものが好ましい。これにより、断面拡大部９を通過する被希釈ガスのガス流路の断面積を緩やかに拡大させることができるため、本発明の効果をより高めることができる。
【００２２】
上記断面拡大部の下流側開口部の断面積は、上流側開口部よりも大きければ特に限定されるものではない。また、上記断面拡大部の下流側開口部の断面積が、混合部の、被希釈ガスが導入される側の側面（以下、被希釈ガス導入側面と称する場合がある。）の断面積に近い大きさであることが好ましく、特には、両者の断面積が同等であることが好ましい。上記断面拡大部の上流側開口部、下流側開口部、混合部の被希釈ガス導入側面の断面積を上記範囲内にすることにより、混合部へ導入される際の被希釈ガスのガス流路の断面積の拡大を緩やかにすることができ、上述したような本発明の効果をより確実に得ることができる。
【００２３】
本発明の希釈装置においては、混合部の大きさ、形状等、上記混合部への希釈ガスの導入方法や、混合部からの混合ガスの排出方法は特に限定されるものではなく、被希釈ガスである被希釈ガスの量や、上記希釈装置が設置される空間の形状等に合わせて適宜調整することができる。例えば、上記特開２００３−１３２９１５公報に開示されている、パージされたガスを滞留させる滞留領域と、上記滞留領域からパージされたガスと空気とを混合して希釈する希釈領域と、上記滞留領域から希釈領域へパージされたガスを通流させる通流部とが設けられた希釈装置に上述したような断面拡大部を設けてもよい。
【００２４】
本発明においては、上記混合部には、希釈ガス導入管の端部に設けられた導入貫入部が貫入されており、上記導入貫入部の端部には、開口部である導入管開口部が設けられ、上記被希釈ガス導入管の下流側開口部が、上記導入管開口部よりも希釈ガスの流れの上流側に設けられていることが好ましい。中でも、混合部の上流側の端部から上記導入管開口部までの長さが、混合部の上流側の端部から下流側の端部までの長さに対して、５０％以上、特に９０％以上であることが好ましい。このような構成にすることにより、希釈ガスが希釈ガス導入管から混合ガス排出管へと直接流れるのではなく、導入後に乱流となって被希釈ガスを巻き込んだ状態で混合ガス排出管へと排出される。そのため、希釈ガスを乱流の状態で混合部内に長い時間滞留させ、その乱流内へ被希釈ガスを導入することにより、被希釈ガスを希釈ガスとより確実に混合することができる。
【００２５】
また、上記導入貫入部の形状、貫入位置等は特に限定されるものではなく、例えば、導入貫入部は直線的な形状を有しており、混合部の上流側の壁面から下流側へまっすぐ貫入することができる。また、導入貫入部は混合部の側部の壁面、または下流側の壁面から貫入されており、導入管開口部が下流を向くような形状を有していてもよい。さらに、本発明においては、上記混合ガス排出管が混合部に貫入されていても、上記導入貫入部が混合部に貫入されている場合と同様の効果を得ることができ、希釈ガス導入管および混合ガス排出管の両方が混合部に貫入されていてもよい。
【００２６】
一般的な希釈装置の混合部の形状としては、円柱等の柱形状のものが用いられることが多いが、本発明の希釈装置の混合部においては、その柱形状の軸に垂直な断面の形状は、円、楕円、長方形等様々な形状のものを用いることができる。上記混合部の軸の方向は、重力方向でも、重力に垂直な方向でもよく、重力に対して斜めの方向でもよい。また、上記混合部の形状は、図６に例示する希釈装置のように、希釈ガスの流れに垂直な方向の断面形状が場所によって異なる形状のものも用いることができる。具体的には、図６（ａ）に示すように、希釈ガスの流れに平行な方向の断面形状が長方形ではなく、混合部の壁面が鈍角に曲がっている形状のものも用いることができる。さらに、本発明においては、図６（ｂ）に示すように、希釈ガスの流れに平行な方向の断面形状が長方形ではなく、混合部の壁面が鋭角に曲がっている形状のものも用いることができる。
【００２７】
本発明の希釈装置は、上述したような断面拡大部を有するものであれば、様々な形状においてその作用効果を発揮することができる。例えば、図２のように、断面拡大部９の下流側開口部８の断面形状と、混合部２の被希釈ガス導入側面の断面形状とがほぼ同じである場合は、上記断面拡大部９を貫通するように希釈ガス導入管４を設けてもよい。このような希釈装置の、被希釈ガス導入管３の軸に垂直な断面の形状の例を図７に示す。また、図３のように、混合部２の被希釈ガス導入側面とは異なる側面から希釈ガスを導入してもよい。さらに、図４のように、断面拡大部９と希釈ガス導入管４とを、両者が隣接するように混合部２へ接続してもよく、このような希釈装置の、被希釈ガス導入管３の軸に垂直な断面の形状の例を図８に示す。
【００２８】
本発明においては、被希釈ガス導入管の軸と、希釈ガス導入管の軸と、混合部の軸とが同じ方向でなくてもよい。例えば、図９（ａ）のように被希釈ガス導入管３の軸と、混合部２の軸とが同じ方向であり、希釈ガス導入管の軸が異なる方向であってもよい。また、図９（ｂ）のように、被希釈ガス導入管３の軸が、混合部２の軸や希釈ガス導入管の軸に対して斜めの方向であってもよい。
【００２９】
本発明の希釈装置は、燃料電池システムの燃料極から排出される燃料極オフガスを希釈するために用いることができる。この際、被希釈ガスである燃料極オフガスを希釈するために用いられる希釈ガスは特に限定されるものではなく、燃料電池システムの空気極から排出される空気極オフガスを用いることもできる。このような燃料電池システムは特に限定されるものではなく、水素が連続的に排出されるタイプの燃料電池システムにも、水素が断続的に排出されるタイプの燃料電池システムにも用いることができる。水素が連続的に排出されるタイプの燃料電池システムの場合は、排出されるガスの量や流速が一定であるため、被希釈ガス導入管の出口付近での水分の付着、凍結等が発生しやすく、希釈装置に上記断面拡大部を設けることによりそのような不具合を防止することができる。一方、水素が断続的に排出されるタイプの燃料電池システムの場合は、瞬間的にガスが排出されるため排出ガスの流速は比較的早い場合が多い。このように流れの速いガスが、混合部に導入されて急激に圧力が低下すると気流渦が発生しやすく、上述した圧力損失が発生しやすいが、希釈装置に上記断面拡大部を設けることによりこれらの不具合を効果的に防止することができる。
【００３０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の希釈装置が用いられる燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の希釈装置の一例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の希釈装置の他の例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の希釈装置の他の例を示す概略構成図である。
【図５】本発明に用いられる断面拡大部の一例を示す概略構成図である。
【図６】本発明の希釈装置の他の例を示す概略構成図である。
【図７】本発明の希釈装置の一例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の希釈装置の一例を示す概略断面図である。
【図９】本発明の希釈装置の他の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  …  希釈装置
２  …  混合部
３  …  被希釈ガス導入管
４  …  希釈ガス導入管
５  …  混合ガス排出管
６  …  被希釈ガス配管部
７  …  上流側開口部
８  …  下流側開口部
９  …  断面拡大部
１０  …  導入貫入部
１１  …  導入管開口部
【図１】
2006294297.tif 000002
【図２】
2006294297.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006294297.tif 000009
【図９】
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