(57)【要約】【課題】断続的に放出される放出燃料ガスとカソードオフガスとをエジェクタにより混合希釈する燃料電池オフガスの希釈装置において、断続的に放出される放出燃料ガスの流れを利用してエジェクタによりカソードオフガスを取り込み、放出燃料ガスとカソードオフガスとを効率よく混合希釈することを課題とする。【解決手段】エジェクタ２９はノズル２７と、隔壁２１と、カソードオフガス取り込み部２８と、混合部２４により構成される。エジェクタ２９に放出燃料ガスが導入されると、その流れによって、カソードオフガス取り込み部２８に負圧が発生し、カソードオフガスが取り込まれる構成となっている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、
前記燃料電池から排出される未利用燃料ガスを、燃料ガス循環経路を介して前記燃料ガス供給源からの燃料ガスと混合し前記燃料電池に再供給する燃料ガス循環手段又は、前記燃料電池の燃料ガス排出部を閉口する排出部閉口手段のいずれかを有する燃料電池システムにおける燃料電池オフガスの希釈装置であって、
前記燃料ガス循環経路又は前記燃料ガス排出部から断続的に放出される放出燃料ガスをカソードオフガスと混合することにより希釈する際、放出燃料ガスの流れを利用して、エジェクタによりカソードオフガスを取り込むことを特徴とする燃料電池オフガスの希釈装置。
【請求項２】
エジェクタにより混合された混合ガスを希釈する少なくとも一つの希釈室を有している請求項１に記載の燃料電池オフガスの希釈装置。
【請求項３】
放出燃料ガスとカソードオフガスを希釈室へ導入している間、放出燃料ガスが希釈室から流出することを防止する流出防止手段を有する請求項２に記載の燃料電池オフガスの希釈装置。
【請求項４】
希釈室に設けられている通流部が混合部のみであり、放出燃料ガスとカソードオフガスを希釈室へ導入している間、エジェクタからのガス流れが流出防止手段となる請求項３記載の燃料電池オフガスの希釈装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化ガスを供給して発電をおこなう燃料電池システムにおける断続的に放出される放出燃料ガスの希釈処理を行うための希釈装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電において、燃料として供給される燃料ガスはすべてが発電に用いられるのではなく、一部未利用のまま燃料電池本体から排出される。そこで、未利用燃料ガスを循環再利用する、あるいは、燃料ガスの排出部を閉じ、燃料ガスが発電に利用されずに燃料電池本体から排出されることを防ぐ等により、燃料ガスの利用効率向上が図られている。通常、燃料ガスとしては水素が、酸化ガスとしては空気が用いられる。
【０００３】
燃料ガスの利用効率向上のために、未利用燃料ガスの循環再利用や排出部閉口等を行っていると、運転時間の経過に伴い、アノード系内にカソードからの透過窒素が蓄積する、あるいは、ガス流路に生成水が滞留する等の理由から、発電電圧低下を招く。そこで、通常は断続的に窒素等の排出を行っているが、その際一部燃料ガスが放出される。
【０００４】
断続的に放出される放出燃料ガスは比較的水素濃度が高いので、希釈されてから大気に開放される。具体的には、断続的に放出される放出燃料ガスはカソードオフガス等の希釈ガスにより希釈されて大気に開放されている。その際、被希釈ガスである放出燃料ガスは希釈ガスと充分混合希釈されることが望ましい。特許文献１には、エジェクタ内に所定流量の希釈ガスを流すことで生じる負圧により比較的濃度の高い排出被希釈ガスをエジェクタへ取り込み、被希釈ガスを希釈ガスと混合希釈させる技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１３２２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料ガスの一部を断続的に放出するために、外部との圧力差を利用している。そのため、燃料電池から断続的に放出される放出燃料ガスの圧力は大気圧より高くなっている。その大気圧との圧力差により燃料ガスは外部へ放出される。一方、カソードオフガスは大気に放出されるだけであるので略大気圧となっている。燃料電池からの放出燃料ガスとカソードオフガスとを特許文献１に記載されている構成で混合希釈を行おうとしても、放出燃料ガスの圧力がカソードオフガスの圧力を上回るためエジェクタに負圧が発生せず、エジェクタ効果による混合希釈が起こらないという問題点がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、放出燃料ガスとカソードオフガスとを混合希釈する希釈装置において、放出燃料ガスの流れを利用してエジェクタによりカソードオフガスを取り込み、放出燃料ガスとカソードオフガスとを効率よく混合することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
【０００９】
本出願に係る第１の発明は、燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、前記燃料電池から排出される未利用燃料ガスを、燃料ガス循環経路を介して前記燃料ガス供給源からの燃料ガスと混合し前記燃料電池に再供給する燃料ガス循環手段又は、前記燃料電池からの燃料オフガス排出部を閉口する排出部閉口手段のいずれかを有する燃料電池システムにおける燃料電池オフガスの希釈装置（以下、希釈装置という。）において、前記燃料ガス循環経路又は前記燃料ガス排出部から断続的に放出される放出燃料ガスをカソードオフガスと混合することにより希釈する際、放出燃料ガスの流れを利用して、エジェクタによりカソードオフガスを取り込むことを特徴とする燃料電池オフガスの希釈装置。
【００１０】
本出願に係る第２の発明は、請求項１に記載の希釈装置において、エジェクタにより混合された混合ガスを希釈する少なくとも一つの希釈室を有していることを特徴とする。
【００１１】
本出願に係る第３の発明は、請求項２に記載の希釈装置において、放出燃料ガスとカソードオフガスを希釈室へ導入している間、放出燃料ガスが希釈室から流出することを防止する流出防止手段を有することを特徴とする。
【００１２】
本出願に係る第４の発明は、請求項３に記載の希釈装置において、希釈室に設けられている経路が混合部のみであり、放出燃料ガスとカソードオフガスを希釈室へ導入している間、エジェクタからのガス流れが流出防止手段となることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この第1の発明によれば、カソードオフガスより圧力の高い放出燃料ガスによりエジェクタ部に負圧を発生させることとなる。したがって、エジェクタ効果によりカソードオフガスを効率よくエジェクタ部に取り込み、放出燃料ガスをカソードオフガスで混合希釈することができる。
【００１４】
この第２の発明によれば、放出燃料ガスが希釈室で拡散されることにより第１の発明よりも確実に放出燃料ガスを希釈することができる。
【００１５】
この第３の発明によれば、希釈室に放出燃料ガスとカソードオフガスを導入している間、放出燃料ガスとカソードオフガスの混合ガスが希釈室から流出することを防止することができ、第２の発明よりも確実に放出燃料ガスを希釈することができる。
【００１６】
この第４の発明によれば、希釈室に放出燃料ガスとカソードオフガスを導入している間、エジェクタからの混合ガスが、希釈室から放出燃料ガスが流出することを防止することとなり、特別な流出防止手段を設けなくとも希釈室からの放出燃料ガスの流出を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池オフガスの希釈装置について実施の形態を説明する。
【００１８】
参照する図面において、図３は燃料電池オフガスの希釈装置を含む燃料ガス循環系燃料電池システムを示すブロック図である。燃料電池１には燃料である燃料ガスが供給される燃料ガス供給経路２と燃料オフガスが排出される燃料オフガス経路３が設けられている。燃料ガス供給経路２には燃料ガス供給源４が接続されている。燃料オフガス経路３と燃料ガス供給経路２との間には燃料電池１から排出される未利用燃料ガスを再利用するための燃料ガス循環経路５が設けられている。燃料ガス循環経路５には燃料オフガスを断続的に放出するための放出燃料ガス経路６が接続されており、放出燃料ガス経路６にはバルブ７が設けられて、燃料ガス循環経路５を循環している燃料オフガスが断続的に放出されることを可能としている。また、燃料電池１には酸化ガスを供給する酸化ガス供給経路８と、燃料電池１からカソードオフガスが排出されるカソードオフガス経路９とが設けられている。そして、放出燃料ガス経路６とカソードオフガス経路９は希釈装置１０に接続されている。さらに、希釈装置１０から混合希釈ガスを排出する排出経路１１が設けられている。
【００１９】
図１は、図３に示した燃料電池システムにおける希釈装置１０を示す模式図である。図中の矢印は放出燃料ガス、カソードオフガス、及び、放出燃料ガスとカソードオフガスとの混合ガスの流れを示している。希釈装置１０におけるケーシング２０の形状は円筒形であり、内部は隔壁２１により２つの室に区画され、第１希釈室２２、第２希釈室２３が形成される。隔壁２１の中央部には第１希釈室２２に放出燃料ガスとカソードオフガスとの混合ガスを導入する混合部２４が設けられている。隔壁２１は、第１希釈室２２側、第２希釈室２３側ともに側面が混合部２４を中心として円錐状に凹状とされている。第２希釈室２３にはカソードオフガスを第２希釈室２３内に導入するカソードオフガス導入部２５が設けられている。また、第２希釈室２３内には放出燃料ガス導入部２６が設けられている。
【００２０】
放出燃料ガス導入部２６の先端部にノズル２７が形成されている。ノズル２７は内部に貫通孔を有しており、貫通孔の放出燃料ガス導入部２６側の内径は放出燃料ガス導入部２６の内径よりも小さくされている。貫通孔の内径は先端部程大きくされる一方、外径は先端部程小さくなる構造となっている。ノズル２７の先端外径は混合部２４の内径より若干小さくれており、混合部２４の入口付近に位置している。カソードオフガス取り込み部２８は、ノズル２７の先端部と、隔壁２１により構成される。エジェクタ２９はノズル２７と、隔壁２１と、カソードオフガス取り込み部２８と、混合部２４により構成される。エジェクタ２９に放出燃料ガスが導入されると、その流れによって、カソードオフガス取り込み部２８に負圧が発生し、カソードオフガスが取り込まれる構成となっている。
【００２１】
本実施例において、カソードオフガスは常時カソードオフガス導入部２５から導入されて、第２希釈室２３内に存在している。一方、バルブ６が開弁されて、放出燃料ガスが放出されれば、放出燃料ガスは、放出燃料ガス導入部２６からエジェクタ２９に導入され、カソードオフガス取り込み部２８に負圧が発生し、第２希釈室２３内のカソードオフガスが取り込まれる。放出燃料ガスとカソードオフガスとは混合部２４にて混合され、第１希釈室２２へ導入される。第１希釈室２２へ導入された混合ガスは第１希釈室２２にて拡散により更に希釈され、隔壁２１の外周部に設けられた通流部３０を通り、第２希釈室２３へ通流する。尚、第１希釈室２２内の混合ガスは放出燃料ガスが放出されていない場合には、混合部２４も通って、第２希釈室２３へ至る。混合ガスは第２希釈室２３においてカソードオフガス導入部２５から導入されたカソードオフガスにより更に希釈され、混合ガス排出部３１から排出される。
【００２２】
本実施例によれば、循環経路内に蓄積した窒素や生成水を排出するために循環されている燃料ガスの一部を圧力差を利用して放出するという燃料電池システム構成のため、放出燃料ガスはカソードオフガスよりも圧力が高い。そのカソードオフガスより圧力の高い放出燃料ガスによりエジェクタ２９に負圧を発生させる構成としたため、エジェクタ効果によりカソードオフガスを効率よくエジェクタ２９に取り込み、放出燃料ガスをカソードオフガスで混合希釈することができる。更にエジェクタを用いない、濃度差のみの拡散により希釈を行うよりも効率がよい。第１希釈室２２を有していることにより、放出燃料ガスが第１希釈室２２で拡散されるので更に希釈することができる。第２希釈室２３では再びカソードオフガスにより希釈されるので、確実に放出燃料ガスを希釈することができる。そのため、比較的水素濃度の高い放出燃料ガスが外部に排出されることを防止できる。
【００２３】
図３に示した燃料電池システムにおける希釈装置１０の第２実施例を図２に示す。図中の矢印は放出燃料ガス、カソードオフガス、及び放出燃料ガスとカソードオフガスとの混合ガスの流れを示している。カソードオフガス経路９はカソードオフガス導入部１０１を有している。カソードオフガス滞留室１０２の形状は円錐形状であり、その円錐形状の側面部にカソードオフガス導入部１０１が接続されている。カソードオフガス滞留室１０２の円錐形状の頂点部に混合室１０３が設けられ、希釈室１０４に接続されている。放出燃料ガスがカソードオフガス滞留室１０２の円錐形状の底面部の位置から導入されるように放出燃料ガス導入部１０５が設けられている。
【００２４】
放出燃料ガス導入部１０５の先端部にノズル１０６が形成されている。ノズル１０６は内部に貫通孔を有しており、貫通孔の放出燃料ガス導入部１０５側の内径は放出燃料ガス導入部１０５の内径よりも小さくされている。貫通孔の内径は先端部程大きくされる一方、外径は先端部程小さくなる構造となっている。ノズル１０６の先端外径は混合部１０３の内径より若干小さくれており、混合部１０３の入口付近に位置している。カソードオフガス取り込み部１０７は、ノズル１０６の先端部と、カソードオフガス滞留室１０２の壁面により構成される。エジェクタ１０８はノズル１０６と、カソードオフガス滞留室１０２の壁面と、カソードオフガス取り込み部１０７と、混合部１０３により構成される。エジェクタ１０８に放出燃料ガスが導入されると、その流れによって、カソードオフガス取り込み部１０７に負圧が発生し、カソードオフガスが取り込まれる構成となっている。
【００２５】
エジェクタ１０８からの放出燃料ガスとカソードオフガスとの混合ガスは混合部１０３により希釈室１０４へ導入される。希釈室１０４は混合部１０３以外に外部との通路を有していないので、燃料ガスの放出終了までは放出燃料ガスが希釈室１０４から流出することはない。放出燃料ガス導入終了後は希釈室１０４の圧力が高くなっているため、カソードオフガス経路９との圧力差により導入された混合ガスは混合部１０３とカソードオフガス導入部１０１を放出燃料ガス導入時とは逆方向に流れ、カソードオフガス経路９へ排出される。
【００２６】
本実施例において、カソードオフガスは常時カソードオフガス滞留室１０２内に存在している。一方、断続的にバルブ６が開弁されて、放出燃料ガスが放出されると、放出燃料ガスは放出燃料ガス導入部１０５からエジェクタ１０８へ導入され、カソードオフガス取り込み部１０７に負圧が発生し、カソードオフガス滞留室１０２内のカソードオフガスが取り込まれる。放出燃料ガスとカソードオフガスとは混合部１０３にて混合され、希釈室１０４へ導入される。放出燃料ガス導入部１０５よりエジェクタ１０８へ放出燃料ガスが導入されている間は、希釈室１０４の唯一の外部との経路である混合部１０３から放出燃料ガスとカソードオフガスの混合ガスが希釈室１０４へ導入されることになる。よって、エジェクタ１０８から導入される混合ガスが希釈室１０４から放出燃料ガス等のガスが流出することを防止する防止手段として作用する。つまり、エジェクタ１０８からの混合ガス流れが希釈室１０４から放出燃料ガスが流出することを防止する流出防止手段となる。
【００２７】
本実施例によれば、循環経路内に蓄積した窒素や生成水を排出するために循環されている燃料ガスの一部を圧力差を利用して放出するという燃料電池システム構成のため、放出燃料ガスはカソードオフガスよりも圧力が高い。そのカソードオフガスより圧力の高い放出燃料ガスによりエジェクタ１０８に負圧を発生させる構成としたため、エジェクタ効果によりカソードオフガスを効率よくエジェクタ１０８に取り込み、放出燃料ガスをカソードオフガスで混合希釈することができる。更に、濃度差のみの拡散により希釈を行うよりも効率がよい。希釈室１０４を有していることにより、放出燃料ガスが希釈室１０４で拡散されるので更に希釈することができる。更に、エジェクタ１０８からの混合ガスの流れが希釈室１０４から放出燃料ガスが流出することを防止するので、特別な流出防止手段を設けなくとも希釈室１０４からの放出燃料ガスの流出を防止することができる。
エジェクタ１０８
【００２８】
また、実施例で示した燃料電池オフガスの希釈装置を含む燃料電池システムは図４であってもよい。
【００２９】
図４は燃料電池オフガスの希釈装置を含む燃料ガスデッドエンド系燃料電池システムを示すブロック図である。図３に示した燃料ガス循環系燃料電池システムとの相違点は燃料ガス循環経路５が設けられていない点である。燃料ガスデッドエンド系では燃料ガス循環系とは異なり、未利用燃料ガスを循環させるのではなく、燃料電池１から未利用燃料ガスを排出しないようにすることにより、燃料ガス利用効率を高める構成となっている。アノード側に蓄積される窒素や生成水を排出するために未利用燃料ガスの一部を断続的に放出する構成は図３に示した水素循環系燃料電池システムと同様であるので、本発明の希釈装置は図４に示した水素デッドエンド系燃料電池システムにも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の希釈装置の第１実施例を示す模式図。
【図２】本発明の希釈装置の第２実施例を示す模式図。
【図３】本発明に係る希釈装置を含む水素循環系燃料電池システムのブロック図。
【図４】本発明に係る希釈装置を含むデッドエンド系燃料電池システムのブロック図。
【符号の説明】
【００３１】
１      燃料電池
２      燃料ガス供給経路
３      燃料オフガス経路
４      燃料ガス供給源
５      燃料ガス循環経路
６      放出燃料ガス経路
７      バルブ
８      酸化ガス供給経路
９      カソードオフガス経路
１０    希釈装置
１１    排出経路
２０    ケーシング
２１    隔壁
２２    第１希釈室
２３    第２希釈室
２４    混合部
２５    カソードオフガス導入部
２６    放出燃料ガス導入部
２７    ノズル
２８    カソードオフガス取り込み部
２９    エジェクタ
３０    通流部
３１    混合ガス排出部
１０１  カソードオフガス導入部
１０２  カソードオフガス滞留室
１０３  混合部
１０４  希釈室
１０５  放出燃料ガス導入部
１０６  ノズル
１０７  カソードオフガス取り込み部
１０８  エジェクタ
【図１】
2005209427.tif 000003
【図２】
2005209427.tif 000004
【図３】
2005209427.tif 000005
【図４】
2005209427.tif 000006