(57)【要約】【課題】より確実かつ十分な希釈処理を実行することができる希釈器を提供すること。【解決手段】本発明による希釈器１は、有底有蓋中空円筒状の容器２と、容器２の蓋面部２ａの中央部に位置して希釈対象気体を容器２内の軸方向Ａに導入する希釈対象気体導入部３と、容器２の外周面部２ｂに位置して希釈媒体を容器２内の内周面に沿って周方向θに導入する希釈媒体導入部４と、容器２の外周面部２ｂに位置して希釈対象気体と希釈媒体の混合された混合気体を容器２外へ排出する排出部５と、を含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底有蓋中空円筒状の容器と、前記容器の蓋面部の中央部に位置して希釈対象気体を前記容器内の軸方向に導入する希釈対象気体導入部と、前記容器の外周面部に位置して希釈媒体を前記容器内の内周面に沿って周方向に導入する希釈媒体導入部と、前記容器の外周面部に位置して前記希釈対象気体と前記希釈媒体の混合された混合気体を前記容器外へ排出する排出部と、を含むことを特徴とする希釈器。
【請求項２】
前記希釈媒体導入部と前記排出部を前記軸方向にオフセットさせることを特徴とする請求項１に記載の希釈器。
【請求項３】
前記容器内において、前記希釈対象気体導入部と、前記希釈媒体導入部及び前記排出部との間を画成する円筒状の隔壁を含み、前記隔壁は、径方向内側から外側へ前記希釈対象気体を流出する一以上の流出孔を含むことを特徴とする請求項２に記載の希釈器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希釈の対象となる気体の希釈後の濃度を十分に低減することができる希釈器に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止対策の一つとしての二酸化炭素排出削減を主たる目的として、車両を現在のガソリン車から、電気自動車、燃料電池自動車等の所謂エコカーへシフトする要請が、近年高まっている。電気自動車については、搭載するバッテリの容量の増大が現在十分でなく、車両の連続走行可能な距離が限定されるという課題を有する。現状の技術においては、バッテリすなわち二次電池の容量の増大は困難な課題を含むため、電気自動車に平行してバッテリの容量増大の要請が低い燃料電池自動車の開発も行われている。
【０００３】
燃料電池自動車に搭載される燃料電池としては、例えば特許文献１に記載されているようなものが提案されている。この燃料電池は、イオン交換膜を構成する固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードを配置したセルを一又は複数層具備してスタックを構成しており、燃料極であるアノードに例えば水素ガス等の還元剤としての燃料を供給し、空気極であるカソードに例えば空気等の酸化剤を供給することにより、アノードとカソードの間に電力を継続的に発生させるものである。
【０００４】
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、この生成された水の一部はイオン交換膜を透過して、アノード側に浸入するとともに、カソードに供給された酸化剤の一部をなす空気中の窒素もイオン交換膜を透過して、アノード側に浸入する。このような水及び窒素は燃料電池の発電を不安定なものとするため、適宜排除する必要がある。
【０００５】
このため、この種の燃料電池では、アノード側の排出ガスつまりアノードオフガスを適宜外気に対して排出することにより、水及び窒素を適宜排除している。この場合において、アノードオフガスには、発電に寄与しなかった未反応の水素が含まれるため、水素を排出しても差し支えない濃度まで希釈する希釈処理を行う必要が生じる。このため、このような燃料電池においては希釈器が用いられる。
【０００６】
特許文献１に示す希釈器においては、中空円筒状の容器内を軸方向において上流側と下流側を分ける仕切り板を設けて、仕切り板に向けてアノードオフガスを軸方向に噴出する噴出口を容器の上蓋部に設け、容器の内周面に軸方向に延在させた配管の途中に、径方向に空気を含むカソードオフガスを送出する送出口を設ける構成を採っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３１９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような特許文献１に示す希釈器においては、噴出口から軸方向に噴出されたアノードオフガスと、送出口から径方向に送出されたカソードオフガスは、噴出口から軸方向に延長する軸方向延長線と、送出口から径方向に延長する径方向の延長線の交点近傍の、比較的狭い範囲で混合されることとなる。混合された後の混合気体はほぼ同じ経路を通って、容器の排出口から外気に排出されるため、水素の濃度を排出口における全領域においてむらなく低下させることが必ずしも容易でない。
【０００９】
このため、アノードオフガスに含まれる水素のカソードオフガスである空気により希釈する希釈処理を行うにあたって、必ずしもより確実且つ十分な希釈処理を実行できる希釈器を提供できていないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑み、より確実かつ十分な希釈処理を実行することができる希釈器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】
【００１１】
上記の問題を解決するため、本発明による希釈器は、
有底有蓋中空円筒状の容器と、
前記容器の蓋面部の中央部に位置して希釈対象気体を前記容器内の軸方向に導入する希釈対象気体導入部と、
前記容器の外周面部に位置して希釈媒体を前記容器内の内周面に沿って周方向に導入する希釈媒体導入部と、
前記容器の外周面部に位置して前記希釈対象気体と前記希釈媒体の混合された混合気体を前記容器外へ排出する排出部と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
前記希釈器によれば、前記容器に前記蓋面部の径方向中央から軸方向に導入された前記希釈対象気体が、前記容器内において軸方向に移動して前記容器の底部に衝突した後、径方向外側に拡散する前記容器内の中心軸線を含む断面内におけるＬ字型移動を起こさせることにより、前記容器内の予め滞留している前記希釈媒体によりまず一次的な希釈処理を行うことができる。
【００１３】
また、前記希釈対象気体は前記容器内において軸方向に移動して前記容器の底部に衝突した後、径方向外側に拡散して移動して、さらに、前記底部から前記蓋部方向に移動して、径方向内側に移動することを繰り返す、前記容器内の中心軸線を含む断面内における対流移動を起こさせることによっても、前記容器内の予め滞留している前記希釈媒体によりまず一次的な希釈処理を行うことができる。
【００１４】
上述したように前記希釈媒体により一次的な希釈処理がされた後の前記希釈対象気体と前記希釈媒体の混合気体は、前記容器の前記外周面部から前記内周面に沿って周方向に導入されて前記容器の内周面を螺旋状に少なくとも一周回以上流れる前記希釈媒体の発生する負圧により、径方向外側に吸い出されて前記希釈媒体に混合されてさらに二次的な希釈処理がなされて、二次的に希釈された後の混合気体は前記排出部から排出されることを導くことができる。
【００１５】
すなわち、前記希釈対象気体が前記希釈対象気体導入部から前記容器内に導入された後、一次的な希釈処理において移動する経路と、二次的な希釈処理において移動する経路とをともに、従来技術に対して長くすることができる。これにより、前記希釈対象気体の前記希釈媒体中への拡散、移動をより長い時間をかけて行うことができ、前記希釈対象気体をより確実かつ十分に希釈することができ、前記希釈対象気体の前記排出部における濃度を前記排出部における全領域においてむらなく低下させて、希釈性を高めることができる。
【００１６】
特には、前記希釈対象気体導入部から導入される前記希釈対象気体の時間による変化が激しく一定でない場合、一定の周期毎に極大値を含む場合等の所謂ピーキーな条件下において、前記排出部における前記希釈対象気体の濃度を全領域においてむらなく低下かさせることができる。
【００１７】
これに加えて、前記希釈器によれば、例えば特許文献１に示したような従来技術に較べて、外形寸法の内特には軸方向の寸法を小さくして、容積を小さくすることができ、構造の単純化と、重量軽減、製造方法の簡略化を図ることができる。
【００１８】
なお、前記希釈器において、
前記希釈媒体導入部と前記排出部を前記軸方向にオフセットさせることを特徴とする。
【００１９】
前記希釈器によれば、前記希釈器における二次的な希釈処理において、前記希釈対象気体が前記容器の内周面を周方向に複数周回以上流れることを招くことができ、これにより、前記希釈対象気体の前記希釈媒体中への拡散、移動をさらに長い時間をかけて行うことができ、前記希釈対象気体をさらに、確実かつ十分に希釈することができる。
【００２０】
加えて、前記希釈器において、
前記容器内において、前記希釈対象気体導入部と、前記希釈媒体導入部及び前記排出部との間を画成する円筒状の隔壁を含み、前記隔壁は、径方向内側から外側へ前記希釈対象気体を流出する一以上の流出孔を含むことが好ましい。
【００２１】
前記希釈器によれば、前記希釈対象気体導入部から軸方向に導入された前記希釈対象気体を前記隔壁の内周側にある程度の時間保持することができ、これにより、前記希釈対象気体の挙動を、前記Ｌ字型移動よりも、前記対流型移動を主体としたものとすることができ、一次的な希釈処理における前記希釈対象気体の前記希釈媒体中への拡散、移動をさらに長い時間をかけて行うことができ、前記希釈対象気体をさらに、確実かつ十分に希釈することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、より確実かつ十分な希釈処理を実行することができる希釈器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る希釈器の一実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明に係る希釈器の一実施形態における希釈対象気体と希釈媒体の経路を示す模式図である。
【図３】本発明に係る希釈器の一実施形態における希釈対象気体の経路を示す模式図である。
【図４】本発明に係る希釈器の一実施形態における希釈媒体の経路を示す模式図である。
【図５】本発明に係る希釈器の一実施形態における希釈対象気体の流出の経路と濃度分布を示す模式図である。
【図６】本発明に係る希釈器の一実施形態における希釈処理の初期の希釈対象気体の容器内の濃度分布を示す模式図である。
【図７】本発明に係る希釈器の一実施形態における希釈処理の初期の希釈対象気体の排出部内の濃度分布を示す模式図である。
【図８】本発明に係る希釈器の一実施形態における希釈処理の終期の希釈対象気体の容器内の濃度分布を示す模式図である。
【図９】本発明に係る希釈器の一実施形態における希釈処理の終期の希釈対象気体の排出部内の濃度分布を示す模式図である。
【図１０】本発明に係る希釈器の一実施形態における希釈性能を示す模式図である。
【図１１】本発明に係る希釈器の一実施形態における希釈性能を示す模式図である。
【図１２】従来の希釈器を示す模式図である。
【図１３】従来の希釈器を示す模式図である。
【図１４】従来の希釈器の希釈対象気体と希釈媒体の経路を示す模式図である。
【図１５】従来の希釈器の希釈処理の初期の希釈対象気体の容器内の濃度分布を示す模式図である。
【図１６】従来の希釈器の希釈処理の初期の希釈対象気体の排出部内の濃度分布を示す模式図である。
【図１７】従来の希釈器の希釈処理の終期の希釈対象気体の容器内の濃度分布を示す模式図である。
【図１８】従来の希釈器の希釈処理の終期の希釈対象気体の排出部内の濃度分布を示す模式図である。
【図１９】従来の希釈器の希釈性能を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００２５】
図１に示すように本実施例の希釈器１は、容器２と、水素導入部３と、空気導入部４と、排出部５と、隔壁６と、流出孔７を含んで構成される。
【００２６】
容器２は、例えば有底有蓋中空円筒状の金属製又は樹脂により構成されて、図示しない燃料電池のアノードオフガス及びカソードオフガスの加圧に耐えうる内圧強度を備えて、図１に示す軸方向Ａから視た円板状の蓋面部２ａと、円筒状の外周面部２ｂとを含み、外周面部２ｂの軸方向Ａ側には円板状の底面部２ｃを形成する。
【００２７】
水素導入部３は、容器２の蓋面部２ａの中央部に位置して設けられた穴部により構成されて、希釈対象気体である水素を含むアノードオフガスを容器２内の軸方向Ａに導入する希釈対象気体導入部を構成する。
【００２８】
空気導入部４は、容器２の外周面部２ｂの蓋面部２ａとの境界面近傍に、外周面部２ｂの接線方向に突出する中空四角筒状部により構成されて、希釈媒体である空気を含むカソードオフガスを容器２内の内周面に沿って周方向θに導入する希釈媒体導入部を構成する。
【００２９】
なお燃料電池一般の構成と、アノードオフガスを水素導入部３に導く構成、カソードオフガスを空気導入部４に導く構成は、特許文献１に記載の従来技術と同様であるため、詳細な説明は割愛する。
【００３０】
排出部５は、容器２の外周面部２ｂの底面部２ｃとの境界面近傍に、外周面部２ｂの接線方向に空気導入部４とは逆方向に突出する中空四角筒状部により構成されて、容器２の外周面部２ｂに位置して希釈対象気体である水素と希釈媒体である空気の混合された混合気体を容器２外へ排出する機能を有する。
【００３１】
排出部５は空気導入部４に対して、外周面部２ｂの軸方向Ａの長さ分だけ軸方向Ａにオフセットさせて位置される。
【００３２】
さらに、容器２の内部空間は、水素導入部３と、空気導入部４及び排出部５との間を画成する円筒状の隔壁６を含み、隔壁６はさらに、隔壁６の内周側の空間から径方向内側から外側へ水素を流出する一以上、ここでは周方向θにおいて等間隔に位置する四箇所の流出孔７を含む。
【００３３】
なお、参考までに特許文献１に示したものとは別形態の従来技術の希釈器５１について述べる。図１２及び図１３に示すように、従来の希釈器５１は、中空四角柱状の容器５２と、容器５２の縦横の中央部に設置された水素導入部５３と、容器５２の図１２中左下隅部及び右下隅部に連通する四角筒状の配管により構成され、配管の上流側が空気導入部５４を構成し、下流側が排出部５５を構成している。
【００３４】
この形態の従来技術の希釈器５１においては、水素導入部５３から容器５２に導入された水素は、空気導入部５４から排出部５５に向かって流れる空気の負圧により、水素導入部５３から図１２及び図１３中の左下隅部と右下隅部の双方に向かって図１４の破線で示すような比較的短いパスラインにより配管内に吸い込まれる。
【００３５】
つまり、図１５に示すように、水素導入から０．８秒後の希釈処理の初期において、水素導入部５３から、容器５２の左下隅部及び右下隅部へ水素は直接的且つ短い経路で吸い込まれて徐々に濃度が低下されて、配管内の上流側から下流側に向けて徐々に濃度が低下される。
【００３６】
この場合において、排出部５５の排出方向に垂直な断面内の水素の濃度分布は、図１６に示すように、断面内の中央から外側に向けて濃度の濃い部分から濃度の薄い部分に急激に変化する形態をなす。また、水素導入から３．０秒後の希釈処理の後期においては、図１７に示すように、容器５２内の濃度はある程度は均一化されるものの、排出部５５の排出方向に垂直な断面内における濃度分布は、図１８に示すように、断面内の横方向中央且つ縦方向上部を中心として、濃度の濃い部分から濃度の薄い部分に急激に変化する形態をなす。
【００３７】
このため、図１９に示すように、時間推移に対してある時間に水素の濃度が例えば水素導入から１秒後にピークを迎える場合において、排出部５５の断面内における全断面積に対する平均水素モル濃度と、断面内の任意の単位断面積における最大水素モル濃度は、ピークに合わせて拡大する傾向をなすこととなり、例え平均水素モル濃度を低下する能力が十分であるとしても、特には希釈対象となる気体が水素である場合には、排出が容認される条件が最大水素モル濃度であるため、希釈性能が十分であるとは言えない。
【００３８】
この従来の希釈器５１においては、水素導入部５３から排出部５５までの水素の経路と、空気導入部５４から排出部５５までの空気の経路がほぼ同じであるため、また、水素が空気に対して拡散しながら移動する経路が十分長く取れないため、希釈性能が十分でないと考えられる。そこで、本実施例の希釈器１は、上述したような構成と技術思想により希釈性能を高めている。
【００３９】
すなわち、以上述べた本実施例の希釈器１によれば、以下のような作用効果を得ることができる。つまり、容器２に蓋面部２ａの径方向中央から軸方向Ａに導入された水素が、容器２内において軸方向Ａに移動して容器の底部２ｃに衝突した後において、図２の破線に示すように、径方向外側に拡散する容器２内の中心軸線を含む断面内において一辺が軸方向Ａを指向し他辺が径方向を指向するＬ字型をなすようなＬ字型移動を発生させる。これによって、容器２内の予め滞留している又はカソードオフガスが常に導入されていることにより滞留している空気によって希釈されて、一次的な希釈処理を行うことができる。
【００４０】
また、本実施例において希釈対象気体は水素であり、比重が空気よりも軽いことから、図１及び図２に示す容器２の軸方向Ａを上方から下方に向かう方向に一致させることとすれば、図３の水素の経路つまりパスラインに示すように、容器２内において軸方向Ａに移動して容器２の底部２ｃに衝突した後、径方向外側に拡散して移動して、さらに、底部２ｃから蓋部２ａの軸方向Ａと反対方向に移動して、さらに、蓋部２ａの下面に沿って径方向内側に移動させる容器２の中心軸線を含む断面内における対流運動を起こし、及び対流運動を繰り返すことによって、容器２内の予め滞留している空気によりまず一次的な希釈処理を行うことができる。
【００４１】
このように空気により一次的な希釈処理がなされた後の水素と空気の混合気体は、図４に示すような、容器２の外周面部２ｂから内周面に沿って周方向に導入されて、内周面の案内作用と空気自身の慣性力に伴って容器２の内周面と隔壁６との間を螺旋状に複数周回以上流れる空気の発生する負圧により、図５に示すように、隔壁６の周方向四箇所の流出孔７から径方向外側に吸い出される。吸い出された混合気体はさらに外周面部２ａの内周面に沿って周回する空気に混合されてさらに二次的な希釈処理がなされて、二次的に希釈された後の混合気体は排出部５から排出されることを導くことができる。
【００４２】
本実施例の希釈器１においては、水素が水素導入部３から容器２内に軸方向Ａに導入された後、容器２の隔壁６の内周側において一次的な希釈処理において移動する経路と、隔壁６と外周面部２ｂの内周面との間における二次的な希釈処理において移動する経路とをともに、従来技術に対して長くすることができる。また、水素導入部３から容器２内に導入された水素を、図５に示すように、周方向θにおける等間隔の四方から吸い込むことにより、従来技術の希釈器５１に対して、空気の流れに吸い込まれるまでの時間と経路を長くすることができる。
【００４３】
これにより、水素の空気への拡散、移動をより長い時間をかけて行うことができ、図６に示す、水素の導入の０．８秒後の希釈処理の初期における、容器２内の軸方向Ａに垂直な断面内における濃度分布を、中心部の水素導入部３から径方向外側に向かって順に薄くなるように均一にむらなく分布させることができ、水素をより確実かつ十分に希釈することができる。
【００４４】
つまり、図７に示すように、希釈処理の初期において、水素の排出部５における濃度を排出部５の排出方向に垂直な断面における全領域においてむらなく低下させて、排出された混合気体中の水素の濃度が局所的に高くなることを防止して、希釈性を高めることができる。
【００４５】
また、図８に示す、水素の導入の３．０秒後の希釈処理の終期における、容器２内の軸方向Ａに垂直な断面内における濃度分布についても、中心部の水素導入部３から径方向外側に向かって薄くなるように均一にむらなく分布させることができ、水素をより確実かつ十分に希釈することができる。
【００４６】
ここでも、図９に示すように、希釈処理の終期において、水素の排出部５における濃度を排出部５の排出方向に垂直な断面における全領域においてむらなく低下させて、排出された混合気体中の水素の濃度が局所的に高くなることを防止して、希釈性を高めることができる。
【００４７】
これらのことにより、本実施例の希釈器１においては、排出部５における水素の濃度が図１０に示すように、時系列的に変化する場合において、排出方向に垂直な断面内における平均水素モル濃度と、最大水素モル濃度に差が生じて、最大水素モル濃度が上昇してしまうことを極力防止することができる。
【００４８】
つまり、水素導入部３から導入される水素の時間による変化が激しく一定でない場合、一定の周期毎に極大値を含む場合等の所謂ピーキーな条件を含む場合においても、排出部５における水素の濃度を断面内の全領域においてむらなく低下させることができる。
【００４９】
さらに、本実施例の希釈器１によれば、特許文献１に示したような従来技術に較べて、外形寸法の内特には軸方向Ａの寸法を小さくして、容積を小さくすることができ、希釈器１自体の構造の単純化と、重量軽減、製造方法の簡略化及び、燃料電池内の配置の自由度を高めることができる。
【００５０】
また、本実施例の希釈器１においては、図１及び図２に示したように、排出部５を空気導入部４に対して軸方向Ａにオフセットさせているので、希釈器１の隔壁６と外周面部２ｂの内周面との間における二次的な希釈処理において、水素が容器２の内周面を周方向に複数周回以上流れることを招くことができ、これによって、水素の経路を長くして、水素の空気中への拡散、移動をさらに長い時間をかけて行うことができ、水素をさらに、確実かつ十分に希釈することができる。
【００５１】
また、希釈器１の隔壁６と外周面部２ｂの内周面との間において螺旋状に流れる空気の体積を、排出部５を空気導入部４に対して軸方向にオフセットさせることにより増大させて、二次的な希釈処理において、希釈対象となる水素の体積に対しての希釈体媒体となる空気の体積の比率を大きく設定して、これによっても、希釈性を高めることができる。
【００５２】
加えて、本実施例の希釈器１においては、容器２内において、空気導入部４と、水素導入部３及び排出部５との間を画成する円筒状の隔壁６を含み、隔壁６は、径方向内側から外側へ水素を流出する一以上の流出孔７を含んでいるので、水素導入部３から軸方向Ａに導入された水素を隔壁６の内周側に流出孔７の設置数と孔径により適宜調節可能な所望の時間において滞留させることができる。
【００５３】
これにより、水素の隔壁６の内周側における挙動を、図２に示したようなＬ字型の移動よりも、図３に示したような三次元的な対流型の移動を主体としたものとすることができ、一次的な希釈処理における水素の空気への拡散、移動をさらに長い時間をかけて行うことができ、水素をさらに、確実かつ十分に希釈することができる。
【００５４】
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。
【００５５】
例えば、隔壁６の設置については任意であり、省略することもでき、隔壁６と流出孔７の形態についても、上述したものに換えて、例えば、隔壁６を容器２の底面部２ｃから蓋面部２ａに向けて、容器２の軸方向Ａの長さよりも短いものとして形成し、隔壁６と蓋面部２ａとの軸方向Ａの隙間により流出孔７を代用させる形態とすることも可能である。
【００５６】
また、水素導入部３、空気導入部４、排出部５の断面積については、アノードオフガスの流量と、カソードオフガスの流量に対応させて適宜決定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、希釈対象となる気体を希釈する希釈器に関するものであり、より確実かつ十分な希釈処理を実行することができる希釈器を提供することができるので、乗用車、トラック、バス等の様々な車両に用いられる燃料電池に適用されて有益であることはもちろん、通信機器、家庭用電器、産業用電機に用いられる燃料電池にも適用可能なものである。
【００５８】
さらに、燃料電池のアノードオフガスが含む水素を希釈する場合以外にも、希釈対象気体をむらなく希釈する必要があるいずれの機器にも適用可能なものである。
【符号の説明】
【００５９】
１      希釈器
２      容器
２ａ    蓋面部
２ｂ    外周面部
２ｃ    底面部
３      水素導入部（希釈対象気体導入部）
４      空気導入部（希釈媒体導入部）
５      排出部
６      隔壁
７      流出孔
５１      希釈器
５２      容器
５３      水素導入部
５４      空気導入部
５５      排出部
【図１】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１９】
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【図２】
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【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】
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【図９】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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