(57)【要約】【課題】生成水を霧化して外部へ放出させる効率を向上させることができる、燃料電池システム用の排出装置を提供する。【解決手段】発電により燃料電池から排出されるガスおよび水を外部に放出する燃料電池システム用の排出装置であって、多段ベンチュリ構造を有し、ガスと霧化された水とを流通させる排気排水管と、水を貯留する貯水部と、貯水部に貯留された水を排気排水管へ導水するための導水管と、を備え、導水管は、多段ベンチュリ構造における最小口径のベンチュリ管の内部と貯水部とを連通する、ことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電により燃料電池から排出されるガスおよび水を外部に放出する燃料電池システム用の排出装置であって、
多段ベンチュリ構造を有し、前記ガスと霧化された前記水とを流通させる排気排水管と、
前記水を貯留する貯水部と、
前記貯水部に貯留された水を前記排気排水管へ導水するための導水管と、を備え、
前記導水管は、前記多段ベンチュリ構造における最小口径のベンチュリ管の内部と前記貯水部とを連通する、
燃料電池システム用の排出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに用いられる排出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１および特許文献２に、発電により燃料電池から排出される水をシングルベンチュリ構造の排気排水管で霧化して外部に放出する、燃料電池システム用の排出装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１０７２４７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１８８０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記シングルベンチュリ構造の排気排水管を用いた従来の排出装置では、排気排水管内で霧化された水（霧化水）が、外部に放出される前に排気排水管の内壁面に衝突して水滴化し、排出装置の貯水部に回収されて戻ることがある。また、上記従来の排出装置では、排気排水管の通気抵抗を増やして水を霧化できる流速を発生させるため、燃料電池の燃費に悪影響を与える圧力損失が高くなる。すなわち、従来の排出装置は、発電により燃料電池から排出される水を霧化して外部へ放出させる効率が悪い。
【０００５】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、発電により燃料電池から排出される水を霧化して外部へ放出させる効率を向上させることができる、燃料電池システム用の排出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】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、発電により燃料電池から排出されるガスおよび水を外部に放出する燃料電池システム用の排出装置であって、多段ベンチュリ構造を有し、ガスと霧化された水とを流通させる排気排水管と、水を貯留する貯水部と、貯水部に貯留された水を排気排水管へ導水するための導水管と、を備え、導水管は、多段ベンチュリ構造における最小口径のベンチュリ管の内部と貯水部とを連通する、ことを特徴とする。
【０００７】
本発明の排出装置では、排気排水管を多段ベンチュリ構造（例えば、口径の異なる複数のベンチュリ管が同心状に配設された構造）とし、最小口径のベンチュリ管の内部と貯水部とを、導水管で連通させた構成としている。
【０００８】
この構成により、ベンチュリ効果によって、貯水部の水は、導水管を介して最小口径のベンチュリ管の内部に吸い上げられ、最小口径のベンチュリ管を流通するガスにより霧化されて排気排水管の外部へ放出される。排気排水管が多段ベンチュリ構造であるため、水を霧化させるガスの流速が同等であるシングルベンチュリ構造を用いた従来の排気排水管と比べて、通気抵抗を低くすることができ、発電により燃料電池から排出される水の霧化を低圧力損失で実現することができる。
【０００９】
また、上記構成により、排気排水管に流入したガスの一部は、排気排水管（最大口径のベンチュリ管）の内壁面に沿って流れ、エアカーテンの役割を果たす。これにより、最小口径のベンチュリ管から噴出される霧化水が排気排水管の内壁面に衝突することを防げる。従って、排気排水管の内壁面に衝突することで水滴化して回収される霧化水が減少し、霧化状態を維持したままより多くの水を外部に放出することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明の燃料電池システム用の排出装置によれば、発電により燃料電池から排出される水を霧化して外部へ放出させる効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る排出装置を備えた燃料電池システムの構成例を説明する概略図
【図２】本発明の一実施形態に係る排出装置の詳細な構成例を説明する要部断面図
【図３】変形例１に係る燃料電池システムの構成例を説明する概略図
【図４】変形例２に係る燃料電池システムの構成例を説明する概略図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［概要］
本発明の燃料電池システム用の排出装置は、排気排水管を多段ベンチュリ構造とし、最小口径のベンチュリ管の内部と貯水部とを、導水管で連通させる構成である。この構成により、水を霧化させるガスの流速が同等であるシングルベンチュリ構造の排気排水管と比べて通気抵抗を低くすることができ、発電により燃料電池から排出される水の霧化を低圧力損失で実現できる。また、排気排水管の内壁面に沿って流れるガスがエアカーテンとなり霧化水が排気排水管の内壁面に衝突することを防ぐので、霧化状態を維持したままより多くの水を外部に放出することができる。
【００１３】
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る排出装置２０を備えた燃料電池システム１の構成例を説明する概略図である。
【００１４】
図１に示した燃料電池システム１は、燃料電池１０と、水素貯蔵部１１と、コンプレッサ１２と、加湿器１３と、調圧バルブ１４と、開閉弁１５と、気液分離器１６と、排出装置２０と、を備えている。排出装置２０は、排気排水管２１、貯水部２２、および導水管２３を含む。
【００１５】
水素貯蔵部１１は、例えば高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧の水素を貯蔵する。この水素貯蔵部１１に貯蔵されている高圧の水素は、燃料電池１０の稼働時には、圧力調圧弁（図示せず）を介して所定の圧力まで減圧されて、燃料ガスとして燃料電池１０の水素供給ポートＨinに供給される。
【００１６】
コンプレッサ１２は、エアフィルタ（図示せず）を介して大気中から空気を取り込む。そして、コンプレッサ１２は、燃料電池１０の稼働時には、取り込んだ空気を所定の圧力まで加圧し、当該加圧した空気を反応ガスとして加湿器１３へ送出する。
【００１７】
加湿器１３は、燃料電池１０の反応を促すために、コンプレッサ１２から送出される反応ガスを取り込み、反応ガスを加湿する。そして、加湿器１３は、加湿した反応ガスを燃料電池１０の酸素供給ポートＯinに供給する。また、加湿器１３は、発電によって燃料電池１０のオフガス排出ポートＯoutから排出される酸素オフガスを取り込む。加湿器１３は、燃料電池１０から排出された酸素オフガスと燃料電池１０へ供給する反応ガスとの間で水分交換をすることで、反応ガスの加湿を行う。水分交換後の酸素オフガスは、調圧バルブ１４を介して排気排水管２１に送出される。
【００１８】
燃料電池１０は、水素供給ポートＨin、酸素供給ポートＯin、水素排出ポートＨout、およびオフガス排出ポートＯoutを、有している。水素供給ポートＨinには、水素貯蔵部１１および気液分離器１６が接続されている。酸素供給ポートＯinおよびオフガス排出ポートＯoutには、加湿器１３が接続されている。また、水素排出ポートＨoutには、開閉弁１５（アノードパージバルブ）を介して気液分離器１６が接続されている。
【００１９】
燃料電池１０は、水素貯蔵部１１から供給される水素（燃料ガス）または気液分離器１６で分離された水素（再生燃料ガス）と、コンプレッサ１２から加湿器１３経由で供給される酸素（反応ガス）とを反応させて、直流の電気エネルギー（直流電力）を発生させる発電を行う。この燃料電池１０は、例えば、多数の単体セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型の燃料電池として構成され得る。燃料電池１０は、発電によってカソード極（図示せず）に生成される酸素オフガス（カソードオフガス）を、オフガス排出ポートＯoutから加湿器１３へ排出する。また、燃料電池１０は、発電によってアノード極（図示せず）に生成される水素オフガス（アノードオフガス）を、水素排出ポートＨoutから開閉弁１５を介して気液分離器１６へ排出する。
【００２０】
気液分離器１６は、開閉弁１５を介して燃料電池１０から排出されてくる水素オフガスを取り込む。そして、気液分離器１６は、水素オフガスを未反応の水素と水とに分離する。分離された未反応の水素（再生燃料ガス）は、循環ポンプ（図示せず）を介して燃料電池１０の水素供給ポートＨinに再び供給されて、再利用される。気液分離器１６で分離された水は、生成水として貯水部２２に留められる。
【００２１】
排気排水管２１と貯水部２２とは、導水管２３で接続されており、本発明の排出装置２０を構成する。排出装置２０の詳細については、後述する。
【００２２】
［燃料電池システムの動作］
次に、上記構成による燃料電池システム１の稼働時（発電時）における動作を、簡単に説明する。
【００２３】
燃料電池１０のアノード極には、水素貯蔵部１１などから水素（燃料ガス）が供給される。また、燃料電池１０のカソード極には、コンプレッサ１２を介して加湿器１３から空気（反応ガス）が供給される。アノード極に供給された水素は、触媒によって水素イオンと電子とに解離され、水素イオンが電解質膜を通って水と共にカソード極へ移動する。カソード極では、供給された空気中の酸素と、電解質膜中を移動してカソード極に達した水素イオンと、外部経路を通ってきた電子とが結合して、水を生成する。
【００２４】
カソード極で発生した酸素オフガス（生成水と未反応の空気）は、加湿器１３に排出されて水分交換が行われ、加湿器１３から調圧バルブ１４を介して排気排水管２１へ排出される。アノード極で発生した水素オフガス（生成水と未反応の水素）は、開閉弁１５を介して気液分離器１６へ排出される。
【００２５】
気液分離器１６では、発電によってアノード極から排出される水素オフガスに含まれる生成水が分離され、貯水部２２に貯留される。気液分離器１６で生成水が分離された残りの未反応の水素は、燃料電池１０に戻されて再利用される。一方、貯水部２２に貯留された生成水は、導水管２３を通して排気排水管２１に導かれて霧化され、酸素オフガスと共に外部に放出される。
【００２６】
［排出装置の構造］
排出装置２０の詳細を、図２をさらに参照して説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る排出装置２０の詳細な構成例を説明する要部断面図である。
【００２７】
図２に示すように、本実施形態に係る排出装置２０は、燃料電池システム１などに適用され、発電により燃料電池１０から排出されるガスおよび水をシステム外部に放出する装置である。この排出装置２０は、排気排水管２１、貯水部２２、および導水管２３、を含んでいる。
【００２８】
貯水部２２は、気液分離器１６に接続されており、発電により燃料電池１０から排出されかつ気液分離器１６で水素オフガスから分離された生成水を貯留する。また、貯水部２２は、導水管２３に接続されている。
【００２９】
導水管２３は、中空の管であり、一方端が貯水部２２に接続され、他方端が排気排水管２１に接続されている。この導水管２３は、貯水部２２に貯留された生成水を排気排水管２１へ導水する。
【００３０】
排気排水管２１は、調圧バルブ１４を介して加湿器１３に接続されており、発電により燃料電池１０から排出された酸素オフガスを、流通させて外部に放出する。さらに、気排水管２１は、導水管２３を通じて導水されてきた生成水を霧化し、霧化水として酸素オフガスと共に外部に放出する。
【００３１】
排気排水管２１は、略円筒状に形成された管であって、管内部に多段ベンチュリ構造を有している。図２で例示する排気排水管２１の多段ベンチュリ構造は、口径の異なる３つのベンチュリ管２５、２６、および２７で構成されている。３つのベンチュリ管２５、２６、および２７は、排気排水管２１の軸心と同心状に配設される。
【００３２】
第１のベンチュリ管２５は、最大口径のベンチュリ管であって、排気排水管２１と一体的に設けられる。この第１のベンチュリ管２５は、第１のベンチュリ管２５（排気排水管２１）の内周径（流路径）が最も絞られた小径部２５ｃと、小径部２５ｃの上流端に接続され、上流側から下流側に行くに従い第１のベンチュリ管２５（排気排水管２１）の内周径を減少させる縮径部２５ｆと、小径部２５ｃの下流端に接続され、上流側から下流側に行くに従い第１のベンチュリ管２５（排気排水管２１）の内周径を増加させる拡径部２５ｒと、を有している。
【００３３】
なお、第１のベンチュリ管２５の縮径部２５ｆおよび拡径部２５ｒの内周壁面が持つ軸心方向（流路方向）の傾斜は、曲線状に形成されていてもよいし、直線状に形成されていてもよい。
【００３４】
第２のベンチュリ管２６は、略円筒状に形成された中口径のベンチュリ管であり、その外周径は第１のベンチュリ管２５の小径部２５ｃの内周径よりも小さい。すなわち、第１のベンチュリ管２５の内周面と第２のベンチュリ管２６の外周面との間に、ガスが流通する流路が設けられている。この第２のベンチュリ管２６は、第２のベンチュリ管２６の内周径（流路径）が最も絞られた小径部２６ｃと、小径部２６ｃの上流端に接続され、上流側から下流側に行くに従い第２のベンチュリ管２６の内周径を減少させる縮径部２６ｆと、小径部２６ｃの下流端に接続され、上流側から下流側に行くに従い第２のベンチュリ管２６の内周径を増加させる拡径部２６ｒと、を有している。
【００３５】
この第２のベンチュリ管２６は、例えば拡径部２６ｒの下流端が、第１のベンチュリ管２５の小径部２５ｃに位置するように、配設される。また、第２のベンチュリ管２６は、例えば縮径部２６ｆの上流端が、第１のベンチュリ管２５の縮径部２５ｆの上流端よりも上流側に位置するように、配設される。
【００３６】
なお、第２のベンチュリ管２６の縮径部２６ｆおよび拡径部２６ｒの内周壁面が持つ軸心方向（流路方向）の傾斜は、曲線状に形成されていてもよいし、直線状に形成されていてもよい。
【００３７】
第３のベンチュリ管２７は、略円筒状に形成された最小口径のベンチュリ管であり、その外周径は第２のベンチュリ管２６の小径部２６ｃの内周径よりも小さい。すなわち、第２のベンチュリ管２６の内周面と第３のベンチュリ管２７の外周面との間に、ガスが流通する流路が設けられている。この第３のベンチュリ管２７は、第３のベンチュリ管２７の内周径（流路径）が最も絞られた小径部２７ｃと、小径部２７ｃの上流端に接続され、上流側から下流側に行くに従い第３のベンチュリ管２７の内周径を減少させる縮径部２７ｆと、小径部２７ａの下流端に接続され、上流側から下流側に行くに従い第３のベンチュリ管２７の内周径を増加させる拡径部２７ｒと、を有している。
【００３８】
この第３のベンチュリ管２７は、例えば拡径部２７ｒの下流端が、第２のベンチュリ管２６の小径部２６ｃに位置するように、配設される。また、第３のベンチュリ管２７は、例えば縮径部２７ｆの上流端が、第２のベンチュリ管２６の縮径部２６ｆの上流端よりも上流側に位置するように、配設される。
【００３９】
なお、第３のベンチュリ管２７の縮径部２７ｆおよび拡径部２７ｒの内周壁面が持つ軸線方向（流路方向）の傾斜は、曲線状に形成されていてもよいし、直線状に形成されていてもよい。
【００４０】
貯水部２２には、導水管２３の一方端が接続されている。また、少なくとも排気排水管２１（または第１のベンチュリ管２５）の壁面および第３のベンチュリ管２７の小径部２７ｃの壁面には、貫通孔が設けられ、導水管２３の他方端がこの貫通孔を介して第３のベンチュリ管２７の内部と接続されている。この接続により、第３のベンチュリ管２７の内部と、貯水部２２とが、導水管２３を介して連通する。
【００４１】
［排気排水管の作用］
排気排水管２１から最小口径である第３のベンチュリ管２７に流入したガスの流速は、小径部２７ｃを通過する際に上昇する（図２の太線矢印）。このため、第３のベンチュリ管２７の小径部２７ｃ内の圧力は、縮径部２７ｆおよび拡径部２７ｒ内の圧力と比べて低くなる。このベンチュリ効果により、貯水部２２の内部圧力と拡径部２７ｒ内の圧力との間に圧力差が生じ、貯水部２２の生成水が導水管２３を介して第３のベンチュリ管２７の内部に吸い上げられる。第３のベンチュリ管２７の内部に吸い上げられた生成水は、第３のベンチュリ管２７を流通するガスにより霧化されて霧化水となり、排気排水管２１の外部へ放出される。
【００４２】
本実施形態の排気排水管２１は、多段ベンチュリ構造を用いることにより、水を霧化させるガスの流速が同等のシングルベンチュリ構造を用いた従来の排気排水管よりも、通気抵抗を低くすることができる。よって、本実施形態の排気排水管２１は、従来の排気排水管と比べ、発電により燃料電池から排出される水の霧化を低圧力損失で実現することができる。従って、通気抵抗の上昇に伴う燃料電池システム１の燃費悪化を、抑制することができる。
【００４３】
また、排気排水管２１から第１のベンチュリ管２５に流入したガスは、最大口径である第１のベンチュリ管２５（排気排水管２１）の内壁面に沿って流れる。この、第１のベンチュリ管２５の内壁面に沿って流れるガス（図２の点線矢印）は、エアカーテンの役割を果たし、第３のベンチュリ管２７から噴出される霧化水が排気排水管２１の内壁面に衝突することを防ぐ。これにより、排気排水管２１の内壁面に衝突することで水滴化して回収される霧化水が減少し、霧化状態を維持したままより多くの水を外部に放出することができる。
【００４４】
［実施形態による作用・効果］
上述した本実施形態に係る燃料電池システム用の排出装置２０では、排気排水管２１を多段ベンチュリ構造（第１のベンチュリ管２５、第２のベンチュリ管２６、第３のベンチュリ管２７）とし、最小口径である第３のベンチュリ管２７（の小径部２７ｃ付近）の内部と貯水部２２とを、導水管２３で連通させる構成としている。
【００４５】
この構成により、ベンチュリ効果によって、気液分離器１６で水素オフガスから分離されて貯水部２２に貯留された生成水は、導水管２３を介して第３のベンチュリ管２７の内部に吸い上げられ、第３のベンチュリ管２７を流通するガスにより霧化されて排気排水管２１の外部へ放出される。排気排水管２１が多段ベンチュリ構造であるため、水を霧化させるガスの流速が同等であるシングルベンチュリ構造を用いた従来の排気排水管と比べて、通気抵抗を低くすることができ、発電により燃料電池から排出される水の霧化を低圧力損失で実現することができる。
【００４６】
また、上記構成により、排気排水管２１から第１のベンチュリ管２５に流入したガスは、第１のベンチュリ管２５（排気排水管２１）の内壁面に沿って流れ、エアカーテンの役割を果たす。これにより、第３のベンチュリ管２７から噴出される霧化水が排気排水管２１の内壁面に衝突することを防げる。従って、排気排水管２１の内壁面に衝突することで水滴化して回収される霧化水が減少し、霧化状態を維持したままより多くの水を外部に放出することができる。
【００４７】
このように、本実施形態に係る燃料電池システム用の排出装置２０によれば、低圧力損失による生成水の霧化の実現と、霧化水の排気排水管２１の内壁面への衝突軽減の実現とによって、生成水を霧化して外部へ放出させる効率を向上させることができる。
【００４８】
［変形例１］
図３に示す変形例１に係る燃料電池システム２は、加湿器１３（調圧バルブ１４）と排気排水管２１との間に、気液分離器１７を設けている。この気液分離器１７は、燃料電池１０から排出されてくる酸素オフガスを、未反応の酸素と水とに分離する。気液分離器１７で分離された水は、生成水として貯水部２２に留められる。よって、この変形例１に係る燃料電池システム２では、水素オフガスから分離された生成水だけではなく、酸素オフガスから分離された生成水も、排気排水管２１で霧化して外部に放出することができる。
【００４９】
なお、上記燃料電池システム２は、気液分離器１７で酸素オフガスから分離された生成水だけを貯水部２２に貯水して、気液分離器１６で水素オフガスから分離された生成水はそのまま外部に放出する構成、とすることもできる。
【００５０】
［変形例２］
図４に示す変形例２に係る燃料電池システム３は、排気排水管２１の内部に水滴トラップ２４を設けている。この水滴トラップ２４は、霧化水が排気排水管２１の内壁面に衝突することで発生する水滴を回収して、貯水部２２に戻すことを行う。よって、この変形例２に係る燃料電池システム３では、水素オフガスから分離された生成水に加えて、排気排水管２１からの放出に失敗した水も再度、排気排水管２１で霧化して外部に放出することができる。
【００５１】
なお、上記燃料電池システム３には、燃料電池システム２のように、燃料電池１０から排出されてくる酸素オフガスを未反応の酸素と水とに分離する気液分離器１７を、設けてもよい。また、上記燃料電池システム３には、水滴トラップ２４で回収された水滴だけを貯水部２２に貯留して排気排水管２１で霧化して外部に放出し、気液分離器１６で水素オフガスから分離された生成水はそのまま外部に放出する構成、としてもよい。
【００５２】
［変形例３］
上記実施形態で説明した貯水部２２は、気液分離器１６（または気液分離器１７）と分離した構成である必要はなく、気液分離器１６（または気液分離器１７）の内部に設けられてもよい。また、貯水部２２は、１つに限られるものではなく、水素オフガスから分離された水（生成水）だけを貯水する貯水部、酸素オフガスから分離された水（生成水）だけを貯水する貯水部、排気排水管２１の内壁面に衝突することで水滴化した水分を回収して貯水する貯水部など、複数の貯水部を設けてもよい。複数の貯水部を設ける場合には、それぞれの貯水部と排気排水管２１との間に導水管２３が設けられる。
【００５３】
なお、上記実施形態および変形例では、加湿器１３を含めた燃料電池システム１、２、３を説明した。しかし、加湿器１３は、燃料電池１０で発電を行うために必須の構成ではなく、燃料電池システム１、２、３に無くても良い。
【００５４】
以上、本発明を詳細に説明してきたが、上述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の排出装置は、燃料電池システムなどに利用可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１、２、３  燃料電池システム
１０  燃料電池
１１  水素貯蔵部
１２  コンプレッサ
１３  加湿器
１４  調圧バルブ
１５  開閉弁
１６、１７  気液分離器
２０  排出装置
２１  排気排水管
２２  貯水部
２３  導水管
２４  水滴トラップ
２５、２６、２７  ベンチュリ管
２５ｃ、２６ｃ、２７ｃ  小径部
２５ｆ、２６ｆ、２７ｆ  縮径部
２５ｒ、２６ｒ、２７ｒ  拡径部
【図１】
2018026208.tif 000003
【図２】
2018026208.tif 000004
【図３】
2018026208.tif 000005
【図４】
2018026208.tif 000006