(57)【要約】【課題】本発明では、希釈器の能力を充分引き出すことが可能となる燃料電池の排出ガス処理装置を提供することを課題とする。【解決手段】排出ガス処理装置２５は、循環用配管から間欠的にパージされる水素が貯蔵される排出燃料希釈器６と、燃料電池４からの排出空気の一部を攪拌用空気として排出燃料希釈器６の上部に導入させる攪拌用配管１９と、排出燃料希釈器６内の水素を吸入する吸入口１７が形成される排気配管１４とを備えている。さらに、この排出ガス処理装置２５は、攪拌用空気の量を調整する調整バルブ１９ａと、排出空気と吸入口１７から吸入された水素とが混合された混合気の水素濃度を検出する水素濃度検出器２６と、この水素濃度検出器２６からの検出信号に基づいて調整バルブ１９ａを制御する制御装置２７とを備えている。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池からパージされる水素ガスを滞留室に滞留させて前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する希釈器を有する燃料電池の排出ガス処理装置において、
前記滞留室に滞留している水素ガスを攪拌する攪拌ガスを導入する攪拌用配管と、前記攪拌ガスの量を調整する調整バルブと、前記大気に排出される排出ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出器と、を設け、
この水素濃度検出器からの検出信号に基づいて前記調整バルブを制御する制御装置とを備えたことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の排出ガス処理装置であって、
前記制御装置は、
前記希釈器に供給される攪拌ガスの量が下限値以下であり、かつ前記水素濃度が所定値よりも高いと判断した場合に、流量可変手段を制御して前記カソードオフガスの量を増加させることを特徴とする燃料電池の排出ガス装置。
【請求項３】
燃料電池からパージされる水素ガスを滞留室に滞留させて前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する希釈器を有する燃料電池の排出ガス処理装置において、
前記滞留室に滞留している水素ガスを攪拌する攪拌ガスを導入する攪拌用配管と、前記攪拌ガスの量を調整する調整バルブを設け、
前記燃料電池からの水素パージの実行に応じて前記攪拌ガスの導入を制御することを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池からパージされる水素を所定の濃度まで希釈してから排出する燃料電池の排出ガス処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される燃料ガス中の水素との電気化学反応によって発電するものである。そして、このような燃料電池の分野では、未反応の水素を希釈して大気に排出する技術として、燃料電池から排出される水素を希釈器内で空気と混合し、水素濃度を低減させて大気に排出するものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１９１４２２号公報（段落番号〔００２４〕、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のような技術においては、希釈器から大気に排出される排出ガス中の水素濃度を所定の限界値以下に維持し、かつ可能な限り多くのパージ水素を混合、希釈処理するために、排出ガス中の水素濃度をより高精度に制御して希釈器の能力を充分に引き出すことが望まれていた。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、希釈器の能力を充分引き出すことが可能となる燃料電池の排出ガス処理装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうちの請求項１に記載の発明は、燃料電池からパージされる水素ガスを滞留室に滞留させて前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する希釈器を有する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記滞留室に滞留している水素ガスを攪拌する攪拌ガスを導入する攪拌用配管と、前記攪拌ガスの量を調整する調整バルブと、前記大気に排出される排出ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出器と、を設け、この水素濃度検出器からの検出信号に基づいて前記調整バルブを制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、希釈器内の水素ガスがカソードオフガスと混合して外部に排出される際に、その排出ガスの水素濃度が水素濃度検出器で検出される。そして、この水素濃度検出器からの検出信号に基づいて制御装置が調整バルブを適宜制御することで、攪拌ガスの量が増減され、排出ガス中に含まれる水素の量が調整される。すなわち、攪拌ガスの量を増やすことで上部に溜まった水素を攪拌させて排出ガス中の水素の量を増加させ、また、攪拌ガスの量を減らすことで攪拌されている水素のうち上昇しようとする水素の量を増やして排出ガス中の水素の量を減少させる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池の排出ガス処理装置であって、前記制御装置は、前記希釈器に供給される攪拌ガスの量が下限値以下であり、かつ前記水素濃度が所定値よりも高いと判断した場合に、流量可変手段を制御して前記カソードオフガスの量を増加させることを特徴とする。
【０００９】
ここで、「流量可変手段」とは、たとえば回転速度に応じた量の空気を供給するコンプレッサや、流量の調整が可能な流量調整バルブなどをいう。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、たとえば水素濃度検出器で検出した水素濃度が高いため攪拌ガスの量を減らして排出ガス中の水素の量を減らしたい場合に、攪拌ガスの量がこれ以上減らせない状態、すなわち下限値以下となっているときには、流量可変手段が制御されてカソードオフガスの量が増加される。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、燃料電池からパージされる水素ガスを滞留室に滞留させて前記燃料電池のカソードオフガスと混合し、希釈して大気に排出する希釈器を有する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記滞留室に滞留している水素ガスを攪拌する攪拌ガスを導入する攪拌用配管と、前記攪拌ガスの量を調整する調整バルブを設け、前記燃料電池からの水素パージの実行に応じて前記攪拌ガスの導入を制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池から水素がパージされると、この水素パージの実行に応じて攪拌ガスの希釈器内への導入が制御される。すなわち、たとえば水素パージの実行に応じて調整バルブを閉塞させる制御を行うことにより、希釈器内の圧力が所定値以下まで下がり、パージされてくる水素が希釈器内に充分取り込まれることとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置の詳細について説明する。参照する図面において、図１は本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置を備えた燃料電池自動車を示す平面図であり、図２は排出ガス処理装置を有する燃料電池システムを示す説明図である。また、図３は排出燃料希釈器内での攪拌用空気とパージ水素の動きを示す概略説明図である。なお、図３は、特に攪拌用空気とパージ水素の動きを表現するために各部品を模式的に表わしているにすぎず、各部品の位置関係はこれに限定されない。特に、排出燃料希釈器６や排気配管１４の構造は、図２のように排出燃料希釈器６に排気配管１４を貫通させるようにしてもよいし、図３のように排出燃料希釈器６の下面に排気配管１４を接合させてもよい。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池自動車（以下、「車両」という。）１には、その略中央部の床下に、燃料電池システムボックス２が配設されている。この燃料電池システムボックス２の内部には、燃料電池システム、すなわち温調器３、燃料電池スタック４、加湿器５、および排出燃料希釈器６が車両１の前方から後方に向かって順に配設されている。なお、燃料電池システムは、前記機器３〜６の他に燃料電池スタック４を冷却するラジエータ（図示せず）や、図２に示す高圧水素容器２３および排出する空気の量を調整可能なコンプレッサ（流量可変手段）２１などから構成されている。
【００１５】
図２に示すように、燃料電池スタック４は、高圧水素容器２３に貯留された燃料となる水素と、コンプレッサ２１から供給される空気（以下、「供給空気」という。）との電気化学反応により発電を行うものである。また、この燃料電池スタック４の下部には、発電に伴って生成される水などのドレンを排出燃料希釈器６へ排出するためのアノードドレン配管１０が接続されている。なお、この燃料電池スタック４内で生成された水は、アノードドレン配管１０の適所に設けられた開閉弁１２を手動または自動で開閉することにより排出燃料希釈器６へ流れるようになっている。
【００１６】
燃料電池スタック４のアノード側には、その入口に高圧水素容器２３からの水素を導く水素供給配管２２が接続され、その出口に水素を再度燃料電池スタック４に戻すための循環用配管（循環系）７が接続されている。そして、この循環用配管７には、その内部に溜まっている水素中の不純物や燃料電池スタック４内で生成される水を含んだ水素を排出燃料希釈器６へ排出するためのパージ水素配管８が接続されている。なお、この循環用配管７内の水素は、パージ水素配管８の適所に設けられたパージ弁９が後記する制御装置２７からの信号により所定の間隔をおいて開閉されることで排出燃料希釈器６へ間欠的にパージ（排出）されるようになっている。
【００１７】
燃料電池スタック４のカソード側には、その入口にコンプレッサ２１からの供給空気を導く空気供給配管２４が接続され、その出口に燃料電池スタック４から排出される空気（以下、「排出空気（カソードオフガス）」という。）を外部へ導く排気配管１４が接続されている。この排気配管１４は、排出燃料希釈器６の下側を通るように配設されることで、その内部を流れる排出空気が排出燃料希釈器６の下側を通って外部に導かれている。また、この排気配管１４には、排出燃料希釈器６内の水素や水などを含んだ混合気を吸入するための吸入口１７が形成されるとともに、その内部を流れる排出空気の一部を攪拌用空気として排出燃料希釈器６の上部に導入させる攪拌用配管１９が排出燃料希釈器６の上流側から分岐されて形成されている。なお、この排気配管１４の出口側には、逆火防止フィルタ１５が設けられている。
【００１８】
加湿器５は、水素供給配管２２の適所に設けられ、その下部に水などのドレンを排出燃料希釈器６へ排出するための加湿器ドレン配管１１が接続されている。なお、この加湿器５内のドレンは、加湿器ドレン配管１１の適所に設けられた開閉弁１３を手動または自動で開閉することにより排出燃料希釈器６へ流れるようになっている。また、図示は省略するが空気供給配管２４にも、同様に加湿器５、加湿器ドレン配管１１、および開閉弁１３が設けられ、その加湿器５のドレンが排出燃料希釈器６に排出されるようになっている。
【００１９】
排出燃料希釈器６は、主に循環用配管７から間欠的にパージされる水素を一旦貯蔵して滞留させておく滞留室を有した容器であり、後記する排出ガス処理装置２５の中核となるものである。また、この排出燃料希釈器６には、その下部に排気配管１４の吸入口１７と連通する連通孔６ａが形成されている（図３参照）。
【００２０】
図３に示すように、排出ガス処理装置２５は、前記した排出燃料希釈器６、攪拌用配管１９、排気配管１４、およびコンプレッサ２１を有する他、調整バルブ１９ａ、空気量検出器１９ｂ、水素濃度検出器２６、および制御装置２７を有している。調整バルブ１９ａは、攪拌用配管１９の適所に設けられ、制御装置２７から送信される制御信号に基づいて弁の開度が制御されることで攪拌用空気の量を調整するものである。
【００２１】
空気量検出器１９ｂは、調整バルブ１９ａの内部に設けられ、その弁の開度を検知することで排出燃料希釈器６内に供給される攪拌用空気の量を検出し、その検出信号を制御装置２７に出力するものである。水素濃度検出器２６は、排気配管１４の出口側、具体的には吸入口１７よりも下流側に設けられ、排出空気と吸入口１７から吸入された水素とが混合された混合気の水素濃度（排出空気で希釈後の水素濃度）を検出し、その検出信号を制御装置２７に出力するものである。
【００２２】
制御装置２７は、水素濃度検出器２６からの検出信号に基づいて調整バルブ１９ａの弁開度を制御するとともに、空気量検出器１９ｂと水素濃度検出器２６からの検出信号に基づいてコンプレッサ２１の回転速度を制御している。また、制御装置２７は、燃料電池の発電不調（発電電圧の低下）時、あるいは所定の時間毎に信号をパージ弁９に送信することで、パージ弁９を開いて水素を排出させる。さらに、制御装置２７は、パージ弁９に信号を送信したときに水素がパージされたと判定し、その結果（水素パージの実行）に応じて調整バルブ１９ａを制御することで、攪拌用空気の排出燃料希釈器６への導入を制御している。具体的に、この制御装置２７では、図４に示す制御フローに従った制御が行われている。
【００２３】
次に、図３および図４を参照して、この排出ガス処理装置２５によるパージされた水素の処理方法について説明する。
まず、循環用配管７から水素がパージされたか否かを判定する（ステップＳ１）。なお、このパージ処理は、発電電圧の低下時、あるいは所定時間毎に（たとえば、５〜１０秒に１回）行われている。ステップＳ１において、水素がパージされたことが検出された場合は（Ｙｅｓ）、制御装置２７により調整バルブ１９ａを閉じることで、排出燃料希釈器６内への攪拌用空気の供給を停止させる（ステップＳ２）。これにより、排出燃料希釈器６内の圧力が所定値以下まで下がり、パージされてくる水素が排出燃料希釈器６内に充分取り込まれることとなる。
【００２４】
また、ステップＳ１において、水素がパージされていない場合は（Ｎｏ）、水素濃度検出器２６により水素濃度が検出され（ステップＳ３）、この水素濃度が所定範囲、たとえば１〜１．５％の範囲内に収まっているか否かが制御装置２７で判断される（ステップＳ４）。ステップＳ４において、水素濃度が所定範囲内に収まっていると判断された場合は、そのままこの制御が終了する。
【００２５】
また、ステップＳ４において、水素濃度が所定範囲よりも低いと判断された場合は、空気よりも軽い比重の水素が排出燃料希釈器６の上部に溜まることで吸入口１７から吸入される水素の量が少なくなっていると判断して、制御装置２７により調整バルブ１９ａを所定量だけ開いて排出燃料希釈器６内へ供給する攪拌用空気の流量を増加させて（ステップＳ５）、水素を吸入口１７に送り込む。その後は、再びステップＳ３に戻って水素濃度を検出し、ステップＳ４にて水素濃度が所定範囲内に収まったか否かを判断し、増量した攪拌用空気により水素濃度が所定範囲内まで濃くなっていれば、そのままこの制御が終了する。
【００２６】
図４に示すように、ステップＳ４において、水素濃度が所定範囲よりも高いと判断された場合は、水素が攪拌用空気によって吸入口１７に供給されすぎていると判断して、制御装置２７により調整バルブ１９ａを所定量だけ閉めて排出燃料希釈器６内へ供給する攪拌用空気の流量を減少させる（ステップＳ６）。次に、この攪拌用空気の流量が下限値以下（たとえば、ゼロ）であるか否かを空気量検出器１９ｂからの検出信号に基づいて判断し（ステップＳ７）、下限値でないと判断した場合は（Ｎｏ）、再びステップＳ３に戻って水素濃度を検出し、ステップＳ４にて水素濃度が所定範囲内に収まったか否かを判断する。
【００２７】
ステップＳ７において、攪拌用空気の流量が下限値以下であると判断した場合は（Ｙｅｓ）、水素濃度検出器２６により再び水素濃度が検出され（ステップＳ８）、この水素濃度が所定値、たとえば１．５％より高いか否かが判断される（ステップＳ９）。ステップＳ９において、水素濃度が所定値以下であると判断された場合は（Ｎｏ）、再びステップＳ３，Ｓ４に戻るが、この水素濃度がステップＳ４における所定範囲内に収まっているので、この制御はそのまま終了することとなる。
【００２８】
また、ステップＳ９において、水素濃度が所定値より高いと判断された場合は（Ｙｅｓ）、これ以上攪拌用空気を低下させることができないので制御装置２７によりコンプレッサ２１の回転速度を上げて、吸入口１７から入ってくる水素と混合させる排出空気の量を増加させることにより水素濃度を低下させる処理を行う（ステップＳ１０）。そして、再びステップＳ３，Ｓ４に戻ったときに、増量した排出空気により水素濃度が所定範囲内まで薄まっていれば、そのままこの制御が終了する。
【００２９】
図５はパージ水素と攪拌用空気の変化を表わしたタイムチャートである。図５に示すように、水素のパージ中（Ｔ１〜Ｔ２間、Ｔ３〜Ｔ４間）は攪拌用空気の供給が禁止され、非パージ時（Ｔ２〜Ｔ３間）は、水素濃度の検出値に応じて攪拌用空気が増減される。また、パージ終了直後（Ｔ２，Ｔ４）は、攪拌用空気をゼロとしているために水素濃度が所定値以上になっている場合が多いので、攪拌用空気の量が徐々に増加する。なお、図５（ａ）は、調整バルブ１９ａとしてリニア弁を用いた場合であり、この場合は攪拌用空気を連続的に増加させる。また、図５（ｂ）は、調整バルブ１９ａとしてデューティー弁を用いた場合であり、この場合は弁１９ａのＯＮ／ＯＦＦの比率を徐々に増加させる。
【００３０】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
（１）水素濃度検出器２６からの検出信号に基づいて制御装置２７が調整バルブ１９ａを制御し、攪拌用空気の量を制御することで排気配管１４内に吸入される水素の量が調整されるので、外部に排出される混合気の水素濃度を所定範囲内に収まるように制御することができる。すなわち、大気に排出される水素濃度を所定の限界値以下に維持し、かつ可能な限り多くのパージ水素を混合、希釈処理することで、燃料電池からパージする水素量の限界値を高めることができる。また、燃料電池の発電電圧の低下時や発電開始時のような発電不安定時に、より多くの水素がパージされるので、発電を安定に制御することが可能となる。
【００３１】
（２）調整バルブ１９ａの制御では外部へ排出する混合気の水素濃度を低くできない場合であっても、コンプレッサ２１の制御により排出空気の量が増加されるので、混合気の水素濃度を確実に所定範囲内に収めることができる。
（３）パージ弁９の制御に基づいて調整バルブ１９ａを制御することで、排出燃料希釈器６内の圧力を下げることができるので、パージされてくる水素を排出燃料希釈器６内に充分取り込むことができる。
【００３２】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、攪拌用空気として燃料電池の排出空気を利用したが、本発明はこれに限定されず、供給空気を利用してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、水素濃度検出器からの検出信号に基づいて制御装置が調整バルブを制御することで排気ガス中の水素の量が調整されるので、外部に排出される排出ガスの水素濃度を所定範囲内に収まるように制御することができ、希釈器の能力を充分引き出すことが可能となる。
【００３４】
請求項２に記載の発明によれば、調整バルブの制御では外部へ排出する排出ガスの水素濃度を低くできない場合であっても、流量可変手段の制御によりカソードオフガスの量が増加されるので、排出ガスの水素濃度を確実に所定範囲内に収めることができる。
【００３５】
請求項３に記載の発明によれば、攪拌ガスの導入を制御することで、パージされてくる水素を希釈器内に充分取り込むことができ、希釈器の能力を充分引き出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置を備えた燃料電池自動車を示す平面図である。
【図２】排出ガス処理装置を有する燃料電池システムを示す説明図である。
【図３】排出燃料希釈器内での攪拌用空気とパージ水素の動きを示す概略説明図である。
【図４】本発明に係る排出ガス処理装置によるパージされた水素の処理方法を示す制御フローである。
【図５】本実施形態に係る調整バルブにより調整された攪拌用空気とパージ水素の変化を表わしたタイムチャート（ａ）と、他の実施形態に係る調整バルブにより調整された攪拌用空気とパージ水素の変化を表わしたタイムチャート（ｂ）である。
【符号の説明】
４      燃料電池スタック
６      排出燃料希釈器
７      循環用配管（循環系）
１４    排気配管
１７    吸入口
１９    攪拌用配管
１９ａ  調整バルブ
１９ｂ  空気量検出器
２１    コンプレッサ（流量可変手段）
２５    排出ガス処理装置
２６    水素濃度検出器
２７    制御装置
【図１】
2004281237.tif 000003
【図２】
2004281237.tif 000004
【図３】
2004281237.tif 000005
【図４】
2004281237.tif 000006
【図５】
2004281237.tif 000007