(57)【要約】【課題】動力の追加なしに、アノードオフガスと希釈ガスを攪拌して、アノードオフガスを十分に希釈すること。【解決手段】希釈装置１０は、アノードオフガスを供給するアノードオフガス供給口を有する希釈タンクと、上流から希釈ガスを供給する希釈ガス供給口２１と、アノードオフガスを希釈ガスで希釈したガスを下流に排出する排出口２２との間に、絞り部２３を有し、絞り部２３と排出口２２との間に曲線形状を有する第一配管１２と、第一配管１２の排出口２２に近い下流側で曲線形状の外側から第一配管１２と連通し、且つ希釈タンク１１と連通するタンクインレット配管１３と、希釈ガス供給口２１に近い上流側で、絞り部２３に隣接する位置で第一配管１２と連通し、且つ希釈タンク１１と連通するタンクアウトレット配管１４と、を備える。【選択図】図１
2018063821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードオフガスを供給するアノードオフガス供給口を有する希釈タンクと、
上流から希釈ガスを供給する希釈ガス供給口と、前記アノードオフガスを前記希釈ガスで希釈したガスを下流に排出する排出口との間に、絞り部を有し、前記絞り部と前記排出口との間に曲線形状を有する配管と、
前記配管の前記排出口に近い下流側で前記曲線形状の外側から前記配管と連通し、且つ前記希釈タンクと連通するタンクインレット配管と、
前記希釈ガス供給口に近い上流側で、前記絞り部に隣接する位置で前記配管と連通し、且つ前記希釈タンクと連通するタンクアウトレット配管と、
を備える希釈装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は希釈装置に関し、特に燃料電池のアノードオフガスを希釈する希釈装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るものがある。この種の燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）を供給して、これら反応ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
この燃料電池では、発電に伴ってカソード側で水が生成され、この生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側にも浸入する。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入する。アノード側におけるこれら水分や窒素等の不純物は、燃料電池の発電を不安定にする虞がある。
【０００４】
特に、燃料の利用率を上げるために燃料電池から排出される未反応の水素（アノードオフガス）をリサイクルさせて新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する循環型の燃料電池システムでは、アノード側の前記不純物濃度が徐々に高まる傾向にある。
【０００５】
そこで、この種の燃料電池では、アノードオフガスが循環するアノードオフガス循環路から定期的に排出弁を開放して前記不純物を含むアノードオフガスを排出し、アノードオフガス中の不純物濃度を低減させている。
【０００６】
このアノードオフガス循環路から排出されるアノードオフガスを外部（大気）に排出する際には、排出ガス処理装置によって、希釈ガス（例えば、カソードから排出されるカソードオフガスとしての空気）で前記アノードオフガスを希釈し、水素濃度を低減してから排出している。
【０００７】
アノードオフガスを希釈する装置として、例えば、特許文献１の排出ガス処理装置がある。この特許文献１には、アノードオフガスを前記希釈ガスと混合希釈する容器を備え、この容器にそれぞれ形成されたアノードオフガス供給口および希釈ガス供給口と混合ガス排出口との間に、容器内空間を部分的に仕切る仕切部を少なくとも１つ有し、容器は、上側容器部材と下側容器部材とで構成される排出ガス処理装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３５１５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の装置では、アノードオフガスと希釈ガスとを攪拌する機構を有していないので、拡散による混合しか行われず、アノードオフガスと希釈ガスが十分に混合せず、希釈性能が十分でないという問題があった。そして、アノードオフガスを十分に希釈するためには、攪拌するに新たな動力構成を追加しなければならないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
希釈装置は、曲線形状を有する配管の導出口に近い下流側で、曲線形状の外側からタンクインレット配管を介して希釈タンクに希釈ガスを導入し、希釈タンク内の水素を導入した希釈ガスで希釈し、配管の希釈ガス導入口に近い上流側で、絞り部を有するタンクアウトレット配管を介して配管に導出する。
【発明の効果】
【００１１】
動力の追加なしに、アノードオフガスと希釈ガスを攪拌して、アノードオフガスを十分に希釈することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１にかかる希釈装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１にかかる希釈装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１にかかる希釈装置の概略構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態１にかかる希釈装置の圧力分布を示す断面図である。
【図５】実施の形態１にかかる希釈装置の対流を示す断面図である。
【図６】実施の形態１にかかる希釈装置の対流を示す断面図である。
【図７】実施の形態１にかかる希釈装置の水素濃度分布を示す断面図である。
【図８】参考例の配管の水素濃度分布を示す断面図である。
【図９】実施の形態１にかかる希釈装置の水素濃度分布を示す断面図である。
【図１０】参考例の配管の水素濃度分布を示す断面図である。
【図１１】実施の形態２にかかる希釈装置の概略構成を示す斜視図である。
【図１２】実施の形態３にかかる希釈装置の概略構成を示す斜視図である。
【図１３】実施の形態４にかかる希釈装置の概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【００１４】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
まず、図１を用いて、実施の形態１にかかる希釈装置の構成について説明する。図１は、実施の形態１にかかる希釈装置の概略構成を示す斜視図である。図１において、希釈装置１０は、希釈タンク１１と、第一配管１２と、タンクインレット配管１３と、タンクアウトレット配管１４と、第二配管１５を備える。なお、以降の説明において、重力方向と平行な軸をＺ軸、重力方向に対して垂直な二軸をＸ軸、Ｙ軸として説明する。
【００１６】
希釈タンク１１は、被希釈ガス（例えば水素ガスを含むアノードオフガス）と、希釈ガス（例えば空気）とが導入され、混合されるタンクである。希釈タンク１１は、タンクインレット配管１３、タンクアウトレット配管１４及び第二配管１５と連通している。
【００１７】
また、希釈タンク１１は、被希釈ガス及び希釈ガスにより反応、腐食しない金属及び／または樹脂材料で構成されることが好適である。
【００１８】
第一配管１２は、上流から希釈ガスが供給される希釈ガス供給口２１と、被希釈ガス（アノードオフガス）を希釈ガスで希釈したガスを下流に排出する排出口２２とを有する配管である。第一配管１２は、希釈ガス供給口２１と排出口２２との間に絞り部２３を有する。絞り部２３は、下流側（排出口２２側）が、上流側（希釈ガス供給口２１側）より開口断面積が小さい形状を有している。例えば、第一配管１２が円管である場合、絞り部２３は、下流側が、上流側より内径が小さい形状を有している。
【００１９】
また、第一配管１２は、絞り部２３と排出口２２との間に曲線形状の配管部分２４を有する。曲線形状の配管部分２４は、下流側の開口断面積が上流側の開口断面積より大きいことが望ましい。すなわち、絞り部２３からによる曲線形状の配管部分２４までの開口断面積の変化がベンチュリ効果を発生させる。すなわち、流量が一定のとき流れの断面積を狭くすると流速は増加する。そして、ベルヌーイの定理から流速が高くなると圧力は低くなる。
【００２０】
そして、第一配管１２は、絞り部２３と曲線形状の配管部分２４との間でタンクアウトレット配管１４と連通することより、前述のベンチュリ効果で、タンクアウトレット配管１４に負圧を発生させることができる。特に、第一配管１２が、絞り部２３と隣接する位置でタンクアウトレット配管１４と連通することより、ベンチュリ効果を享受しやすくなる。
【００２１】
また、曲線形状の配管部分２４内にガスが流れると、遠心力が働き、外向きの力が発生する。第一配管１２は、曲線形状の配管部分２４において、外側（すなわち曲率半径の大きい側）で、タンクインレット配管１３と連通することにより、タンクインレット配管１３を発生させることができる。
【００２２】
タンクインレット配管１３は、第一配管１２から希釈タンク１１にガスを導入する配管である。上述したように、タンクインレット配管１３は、第一配管１２の曲線形状の配管部分２４において、曲線形状の外側で連通している。
【００２３】
タンクアウトレット配管１４は、希釈タンク１１から第一配管１２にガスを導出する配管である。また、タンクアウトレット配管１４が希釈タンク１１に連通する位置は、タンクインレット配管１３が希釈タンク１１に連通する位置より、重力方向で上であることが好ましい。
【００２４】
第二配管１５は、希釈タンク１１に被希釈ガス（例えば水素ガスを含むアノードオフガス）を供給する配管である。第二配管１５が希釈タンク１１に連通する位置は、タンクインレット配管１３が希釈タンク１１に連通する位置と対向している、または対向する面で連通していることが好ましい。また、第二配管１５が希釈タンク１１に連通する角度は、タンクインレット配管１３が希釈タンク１１に連通する方向に対して、平行ではない、すなわち、０度より大きく１８０度より小さい角度、特に０度より大きく９０度以下の角度であることが好ましい。
【００２５】
なお、第一配管１２、タンクインレット配管１３、タンクアウトレット配管１４及び第二配管１５も、被希釈ガス及び希釈ガスにより反応、腐食しない金属及び／または樹脂材料で構成されることが好適である。
【００２６】
以上の構成により希釈装置１０は構成される。なお、第二配管１５は、希釈装置１０が備える構成としてもよいし、外部から被希釈ガスを供給する装置（例えば、水素ガスを含むアノードオフガスを供給する燃料電池）が備える構成としてもよい。
【００２７】
次に図２を用いて、希釈装置１０の各構成の位置関係及びサイズの大小関係を詳細に説明する。図２は、実施の形態１にかかる希釈装置の概略構成を示す斜視図である。また、図２では、希釈タンク１１が直方体の形状である例について説明する。
【００２８】
図２において、ａは、第二配管１５が希釈タンク１１に連通する位置と、希釈タンク１１のＸＺ面３１との距離を示す。また、ｂは第二配管１５が希釈タンク１１に連通する位置と、希釈タンク１１のＸＺ面３２との距離を示す。ｃは、第二配管１５と希釈タンク１１のＹＺ面とがなす角度を示す。
【００２９】
ｄは、Ｚ軸方向におけるタンクアウトレット配管１４の中心軸の位置（高さ)を示す。ｅは、Ｚ軸方向におけるタンクインレット配管１３の中心軸の位置（高さ)を示す。ｄ及びｅは、希釈タンク１１の重力方向で下にある底面（ＸＹ面）の位置（高さ）を基準としている。ｆは、Ｚ軸方向におけるタンクアウトレット配管１４の中心軸とタンクインレット配管１３の中心軸との距離を示す。
【００３０】
ｇは、第一配管１２の希釈ガス供給口２１の直径を示す。ｈは、絞り部２３の直径を示す。
【００３１】
またＩは、第一配管１２とタンクアウトレット配管１４が連通する位置を示す。Ｊは、第一配管１２とタンクインレット配管１３が連通する位置を示す。Ｋは、第二配管１５が希釈タンク１１に連通する位置を示す。
【００３２】
図２において、第二配管１５が希釈タンク１１に連通する位置と、希釈タンク１１のＸＺ面との距離ａ及びｂは等しく、且つ第二配管１５が希釈タンク１１に連通する位置Ｋは、Ｚ軸方向におけるタンクアウトレット配管１４の中心軸の位置ｄより低く、Ｚ軸方向におけるタンクインレット配管１３の中心軸の位置ｅより高いことが望ましい。このような位置関係とすることにより、希釈ガスより比重の軽い水素は、浮力により上昇する方向に移動し、希釈ガスとの攪拌が促進される。
【００３３】
また、図２において、第二配管１５と希釈タンク１１のＹＺ面とがなす角度ｃは、０度より大きく９０度以下であることが望ましい。
【００３４】
このような角度とすることにより、希釈ガスの流れが希釈タンク１１内で循環するようになり、攪拌が促進される。
【００３５】
また、図２において、絞り部２３の直径ｈは、第一配管１２の希釈ガス供給口２１の直径ｇより小さい。このような構成とすることにより、絞り部２３によるベンチュリ効果によってタンクアウトレット配管１４が負圧となる。
【００３６】
そして、図２において、第一配管１２とタンクインレット配管１３が連通する位置Ｉは、曲線形状の配管部分２４の外側（曲率半径の大きい側）である。このような配置とすることにより、曲線形状の配管部分２４を流れる希釈ガスの流入による遠心力によってタンクインレット配管１３に正圧が発生する。
【００３７】
第一配管１２とタンクインレット配管１３が連通する位置Ｉは、遠心力によりガスの動圧が高くなる位置及び第一配管１２の形状であればいずれも適用できる。図３は、実施の形態１にかかる希釈装置の概略構成を示す断面図である。図３は、希釈装置１０のＸＺ面での断面図である。図３に示すように、第一配管１２とタンクインレット配管１３が連通する位置Ｉは、第一配管１２の曲線形状の外側であれば、いずれの位置でもよく、また第一配管１２の曲線部分の前後の形状も特に限定されない。
【００３８】
図４は、実施の形態１にかかる希釈装置の圧力分布を示す断面図である。図４は、希釈装置１０のＸＺ面での断面図である。図４に示すように希釈ガスは、第一配管１２の希釈ガス供給口２１から供給され、曲線形状の配管部分２４内を流れる。そして希釈ガスが曲線形状の配管部分２４内を流れる間に、遠心力が発生する。遠心力は、希釈ガスがタンクインレット配管１３に流れ込む際の正圧として作用し、希釈ガスはこの正圧により希釈タンク１１に導入される。
【００３９】
希釈タンク１１内では、被希釈ガスの流入方向と希釈ガスの流入方向の違いにより攪拌される。この結果、希釈ガスと被希釈ガスの混合が進み、希釈がなされる。
【００４０】
そして、上述の遠心力、被希釈ガスの流入圧、被希釈ガス（水素）の浮力、上述のベンチュリ効果による負圧により、希釈されたガスは、図４のＺ軸上方向に流れ、タンクアウトレット配管１４に導出される。そして、希釈されたガスは、第一配管１２に導入され、第一配管１２の希釈ガス供給口２１から供給された希釈ガスにより、更に希釈される。
【００４１】
以上のガスの流れにより十分な希釈がなされる。
【００４２】
次に、ＹＺ面での攪拌について説明する。図５は、実施の形態１にかかる希釈装置の対流を示す断面図である。図５は、希釈装置のＹＺ面での断面図である。
【００４３】
図５に示すように、希釈タンク１１内ではＹ軸方向に少なくとも２つの回転気流が発生している。上述したように、第二配管１５が希釈タンク１１に連通する位置と、希釈タンク１１のＸＺ面との距離ａ及びｂを等しくすることにより、この２つの回転気流が同程度に発生し、攪拌が効率よく行われる。
【００４４】
また、希釈タンク１１内ではＺ軸方向でも少なくとも２つの回転気流が発生している。図６は、実施の形態１にかかる希釈装置の対流を示す断面図である。図６は、ＸＺ面での断面図である。
【００４５】
図６に示すように、第二配管１５と希釈タンク１１のＹＺ面とがなす角度ｃを、０度より大きく９０度以下とすること、及び第二配管１５が希釈タンク１１に連通する位置Ｋは、Ｚ軸方向におけるタンクアウトレット配管１４の中心軸の位置ｄより低く、Ｚ軸方向におけるタンクインレット配管１３の中心軸の位置ｅより高い位置とすることにより、希釈タンク１１内ではＺ軸方向にも少なくとも２つの回転気流が発生している。
【００４６】
このように実施の形態１にかかる希釈装置は、多方向での回転気流により攪拌が十分に行われることにより、十分な希釈が行われる。
【００４７】
次に、実施の形態１にかかる希釈装置の希釈について、シミュレーションを行った結果について説明する。
【００４８】
希釈ガスを空気、被希釈ガスを水素とし、排出口での水素濃度分布、水素ＭＡＸ濃度を評価した。
水素希釈性評価の解析法として、定常多成分流れ解析を用いた、
【００４９】
定常多成分流れ解析は、複数の種類の気体を流した場合の、気体の流れ、気体の拡散及び重力の影響を所定のモデルで計算を行い、これらの状態を決定する諸量が、時間が経過し落ち着いた最終状態を計算している。
【００５０】
具体的には、１００％濃度水素と、１００％空気（Ｎ２  ８０％，Ｏ２  ２０％）を各流入口から、１：１０〜１：２０程度の流量（体積）の割合で流入させ、その定常状態までを計算している。また、解析では、気温は常温（２５℃）に設定し、各気体の分子量（密度）、粘度、拡散係数を考慮して計算を行っている。
【００５１】
１００％濃度水素と、１００％空気（Ｎ２  ８０％，Ｏ２  ２０％）を１：２０の割合で流入させた場合の解析結果を図７〜１０に示す。図７は、実施の形態１にかかる希釈装置の水素濃度分布を示す断面図である。図７では、第一配管１２のＹＺ断面での水素濃度分布を示している。図７に示すように、水素濃度は略一様となっており、水素はムラなく均一に希釈されていることがわかる。
【００５２】
一方、図８は、参考例の配管の水素濃度分布を示す断面図である。参考例では、単純に水素と空気とを合流させた場合の例である。図８では、配管のＹＺ断面での水素濃度分布を示している。図８に示すように、水素濃度には片寄りがあり、最大水素濃度が１３％となっている。１：２０の割合で均一に混合した場合、水素濃度は５％となるので、参考例では、実施の形態１と比較すると局所的に２．６倍の水素濃度となってしまっている。
【００５３】
また、ＸＺ面での水素濃度分布について図９及び図１０に示す。図９は、実施の形態１にかかる希釈装置の水素濃度分布を示す断面図である。図９では、希釈装置１０のＸＺ断面での水素濃度分布を示している。図９に示すように、水素濃度分は、希釈タンク１１内で偏っているが、排出口では、均一になっていることがわかる。
【００５４】
一方、図１０は、参考例の配管の水素濃度分布を示す断面図である。図１０では、参考例の配管のＸＺ断面での水素濃度分布を示している。図１０に示すように、水素濃度の片寄りが解消されないまま、排出口に流れていることがわかる。
【００５５】
このように実施の形態１に希釈装置によれば、曲線形状を有する配管の導出口に近い下流側で、曲線形状の外側からタンクインレット配管を介して希釈タンクに希釈ガスを導入し、希釈タンク内の水素を導入した希釈ガスで希釈し、配管の希釈ガス導入口に近い上流側で、絞り部を有するタンクアウトレット配管を介して配管に導出することにより、曲線形状の配管を流れる希釈ガスの流入による遠心力によってタンクインレット配管に正圧が発生して、配管から希釈タンク内に希釈ガスが流入し、絞り部によるベンチュリ効果によってタンクアウトレット配管が負圧となり、希釈タンク内のガスが配管に排出されるので、アノードオフガスと希釈ガスが希釈タンク内を循環して混合することができ、動力を追加することなくアノードオフガスと希釈ガスを攪拌することができる。
【００５６】
また、実施の形態１に希釈装置によれば、タンクインレット配管をタンクアウトレット配管より重力方向で下に配置することにより、希釈タンクの下部から導入された水素が浮力により重力方向で上に移動する流れと、移動方向に対して横または斜め方向から導入された水素ガスの流れにより攪拌される。
【００５７】
（実施の形態２）
実施の形態２では、希釈タンクに被希釈ガス（例えば水素ガスを含むアノードオフガス）を供給する配管を変更した携帯について説明する。図１１は、実施の形態２にかかる希釈装置の概略構成を示す斜視図である。
【００５８】
図１１において、第二配管１５−１、１５−２及び１５−３は、実施の形態１の第二配管１５に対応する。第二配管１５−１、１５−２及び１５−３は、何れか１つを備えても良いし、第二配管１５−１、１５−２及び１５−３の内の２つまたは３つを備えてもよい。
【００５９】
第二配管１５−１が希釈タンク１１に連通する位置は、希釈タンク１１のＹＺ面である。また、第二配管１５−２が希釈タンク１１に連通する位置は、希釈タンク１１のＸＹ面である。更に、第二配管１５−３が希釈タンク１１に連通する位置は、希釈タンク１１のＸＺ面である。
【００６０】
第二配管１５−１、１５−２及び１５−３は、希釈タンク１１に被希釈ガス（例えば水素ガスを含むアノードオフガス）を供給する配管である。第二配管１５−１、１５−２及び１５−３が希釈タンク１１に連通する位置と、希釈タンク１１のＸＺ面との距離ａ及びｂは等しいことが、望ましい。
【００６１】
また、第二配管１５−１及び１５−３が希釈タンク１１に連通する位置Ｋは、Ｚ軸方向におけるタンクアウトレット配管１４の中心軸の位置ｄより低く、Ｚ軸方向におけるタンクインレット配管１３の中心軸の位置ｅより高いことが望ましい。このような位置関係とすることにより、希釈ガスより比重の軽い水素は、浮力により上昇する方向に移動し、希釈ガスとの攪拌が促進される。
【００６２】
また、第二配管１５−１、１５−２及び１５−３が希釈タンク１１に連通する角度は、タンクインレット配管１３が希釈タンク１１に連通する方向に対して、平行ではない、すなわち、０度より大きく１８０度より小さい角度、特に０度より大きく９０度以下の角度であることが好ましい。
【００６３】
このように実施の形態２の希釈装置によれば、スペースの制約により被希釈ガスを導入する位置が理想的でない場合でも、動力を追加することなくアノードオフガスと希釈ガスを攪拌することができる。
【００６４】
（実施の形態３）
実施の形態３では、希釈装置の配管を設置する面が異なる例について説明する。図１２は、実施の形態３にかかる希釈装置の概略構成を示す斜視図である。図１２において、第一配管１２は、ＸＹ面、すなわち重力方向に対して垂直な面に設置されている。
【００６５】
このように実施の形態３の希釈装置によれば、スペースの制約により希釈装置を設置する方向及び位置が理想的でない場合でも、動力を追加することなくアノードオフガスと希釈ガスを攪拌することができる。
【００６６】
（実施の形態４）
【００６７】
実施の形態４では、
図１３は、実施の形態４にかかる希釈装置の概略構成を示す斜視図である。図１３において、希釈装置１０は、タンクアウトレット配管１４が、第一配管１２から見て希釈タンク１１と反対側で、第一配管１２と連通している。
【００６８】
このように実施の形態４の希釈装置によれば、タンクアウトレット配管が、希釈タンクと反対側で、配管と連通することにより、希釈タンクにガスが逆流することを防ぐことができる。
【００６９】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施の形態の希釈装置を燃料電池車に搭載することにより、動力を追加することなくアノードオフガスと希釈ガスを攪拌することができるので、燃料電池車の動力を攪拌に使用する必要がなく、燃料電池車の燃費が低下することを防ぐことができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０  希釈装置
１１  希釈タンク
１２  第一配管
１３  タンクインレット配管
１４  タンクアウトレット配管
１５、１５−１、１５−２、１５−３  第二配管
【図１】
2018063821.tif 000003
【図２】
2018063821.tif 000004
【図３】
2018063821.tif 000005
【図４】
2018063821.tif 000006
【図５】
2018063821.tif 000007
【図６】
2018063821.tif 000008
【図７】
2018063821.tif 000009
【図８】
2018063821.tif 000010
【図９】
2018063821.tif 000011
【図１０】
2018063821.tif 000012
【図１１】
2018063821.tif 000013
【図１２】
2018063821.tif 000014
【図１３】
2018063821.tif 000015