(57)【要約】【課題】アノードオフガス等の主流を良好に希釈可能な希釈装置を提供する。【解決手段】第１希釈後ガスを導入する導入管２１と、導入管２１からの第１希釈後ガスの導入に伴う負圧によって、外部の大気を吸引し副流として導入する大気導入口３１等と、導入管２１からの第１希釈後ガスと大気導入口３１からの大気とを混合し、第１希釈後ガスを大気で希釈する希釈室１１と、導入管２１の下流に配置され、導入管２１からの第１希釈後ガスの層流化を妨げ第１希釈後ガスの渦流を生成する渦流発生バー５１と、を備えることを特徴とする希釈装置１である。【選択図】図２
2016013524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流を導入する主流導入部と、
前記主流導入部からの主流の導入に伴う負圧によって、外部の大気を吸引し副流として導入する副流導入部と、
前記主流導入部からの主流と前記副流導入部からの副流とを混合し、主流を副流で希釈する希釈部と、
前記主流導入部の下流に配置され、前記主流導入部からの主流の層流化を妨げ主流の非定常流れを生成する非定常流れ生成部と、
を備える
ことを特徴とする希釈装置。
【請求項２】
前記非定常流れ生成部は、主流の渦流を生成する渦流生成部である
ことを特徴とする請求項１に記載の希釈装置。
【請求項３】
前記非定常流れ生成部は、前記主流導入部に直接設けられている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の希釈装置。
【請求項４】
前記非定常流れ生成部は、前記主流導入部の導入口に設けられ、前記導入口を分割する棒部材である
ことを特徴とする請求項３に記載の希釈装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希釈装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の電源等として期待される燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスには、未反応の水素が含まれている。そこで、希釈器でアノードオフガスを希釈した後、車外に排出する技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１７０２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、レイアウト等によって、アノードオフガスの通流する配管や希釈器等が曲がり、アノードオフガスの流れに偏りが生じてしまうと、アノードオフガスが希釈され難くなる。
【０００５】
そこで、本発明は、アノードオフガス等の主流を良好に希釈可能な希釈装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、主流を導入する主流導入部と、前記主流導入部からの主流の導入に伴う負圧によって、外部の大気を吸引し副流として導入する副流導入部と、前記主流導入部からの主流と前記副流導入部からの副流とを混合し、主流を副流で希釈する希釈部と、前記主流導入部の下流に配置され、前記主流導入部からの主流の層流化を妨げ主流の非定常流れを生成する非定常流れ生成部と、を備えることを特徴とする希釈装置である。
【０００７】
このような構成によれば、非定常流れ生成部が主流導入部からの主流の層流化を妨げ主流の非定常流れを生成する。これにより、主流が希釈部を通り抜け難くなると共に、非定常流れの主流が希釈部で拡散する。したがって、希釈部において、主流と副流とが良好に混合され、主流が副流で良好に希釈される。
【０００８】
また、希釈装置において、前記非定常流れ生成部は、主流の渦流を生成する渦流生成部であることが好ましい。
【０００９】
このような構成によれば、渦流生成部が、主流の渦流を生成することができる。
【００１０】
また、希釈装置において、前記非定常流れ生成部は、前記主流導入部に直接設けられていることが好ましい。
【００１１】
このような構成によれば、非定常流れ生成部が主流導入部に直接設けられているので、主流導入部に対して非定常流れ生成部を容易に位置決めできる。
【００１２】
また、希釈装置において、前記非定常流れ生成部は、前記主流導入部の導入口に設けられ、前記導入口を分割する棒部材であることが好ましい。
【００１３】
このような構成によれば、主流導入部の導入口に設けられ、導入口を分割する棒部材によって、非定常流れ生成部を簡易に構成できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アノードオフガス等の主流を良好に希釈可能な希釈装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】（ａ）は本実施形態に係る希釈装置の側断面図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大図である。
【図３】本実施形態に係る希釈装置の正面図であり、図２のＸ１−Ｘ１線断面に対応している。
【図４】本実施形態に係る希釈装置の斜視図である。
【図５】本実施形態に係る希釈装置の排出口（図２のＸ２−Ｘ２線断面）における希釈倍率を模式的に示す図である。
【図６】比較例に係る希釈装置における希釈倍率を模式的に示す図である。
【図７】変形例に係る渦流発生バーの正面図である。
【図８】変形例に係る渦流発生バーの正面図である。
【図９】変形例に係る渦流発生バーの正面図である。
【図１０】変形例に係る希釈装置の側断面図である。
【図１１】変形例に係る希釈装置の側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
【００１７】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池車２００（移動体）のフロアパネル２１１下（床下）に搭載されている。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、燃料電池スタック１１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、希釈装置１と、を備えている。なお、燃料電池システム１００は、燃料電池車２００の前部ボンネットの下方に搭載されていてもよい。
【００１８】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
【００１９】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードと、を備えている。
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２０】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１１２（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００２１】
そして、アノード流路１１１を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１１２を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。なお、水素の一部は、式（１）の電極反応で消費されず、アノード流路１１１から配管１２１ｂに排出される。
【００２２】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
【００２３】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク１２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型のパージ弁１２２と、を備えている。
【００２４】
水素タンク１２１は、水素が高圧で貯蔵された容器である。水素タンク１２１は、配管１２１ａを介して、アノード流路１１１の入口に接続されており、水素タンク１２１の水素は、配管１２１ａを介して、アノード流路１１１に供給されるようになっている。なお、配管１２１ａには、常閉型の遮断弁、水素の圧力を適宜に低下させるレギュレータが設けられている。
【００２５】
アノード流路１１１の出口は、配管１２１ｂを介して、配管１２１ａに接続されている。そして、アノード流路１１１からの水素を含むアノードオフガスは、配管１２１ｂを通って配管１２１ａに戻り、水素がアノード流路１１１を経由して循環するようになっている。なお、配管１２１ｂと配管１２１ａとの合流部分には、水素タンク１２１からの新規水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によってアノードオフガスを吸引するエゼクタが設けられている。
【００２６】
配管１２１ｂは、配管１２２ａ、パージ弁１２２、配管１２２ｂを介して、配管１３１ｂに接続されている。そして、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、制御装置）がパージ弁１２２を開くと、水素を含むアノードオフガスが、配管１２２ａ、配管１２２ｂを通って、配管１３１ｂに排出されるようになっている。配管１２２ｂには、アノードオフガスの流量を少なくするオリフィス１２３が設けられている。
【００２７】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ１３１（酸化剤ガス供給手段）を備えている。
コンプレッサ１３１は、配管１３１ａを介して、カソード流路１１２の入口に接続されている。そして、コンプレッサ１３１がＥＣＵの指令に従って作動すると、車外の酸素を含む空気がコンプレッサ１３１に吸気圧縮され、配管１３１ａを通ってカソード流路１１２に供給されるようになっている。
【００２８】
カソード流路１１２の出口は、配管１３１ｂを介して、希釈装置１に接続されている。そして、カソード流路１１２からのカソードオフガスは、配管１２２ｂからのアノードオフガスと共に、配管１３１ｂを通って、希釈装置１に向かうようになっている。
【００２９】
なお、アノードオフガスは、カソードオフガスと合流した後、カソードオフガスと混合することで、アノードオフガス中の水素が希釈される。ここで、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合し生成するガスを、便宜的に第１希釈後ガスとする。また、配管１３１ｂの下流部１３１ｃは、図１に示すように、下流に向かうにつれて徐々に高くなっている。
【００３０】
≪希釈装置の構成≫
希釈装置１は、配管１３１ｂからの第１希釈後ガス（主流）を大気（副流）で希釈し、車外に排出する装置である。ここで、第１希釈後ガスが大気で希釈されたガスを第２希釈後ガスとする。
【００３１】
希釈装置１は、筒状の筐体１０と、第１希釈後ガスを筐体１０内に導入する導入管２１（主流導入部）と、導入管２１を筐体１０に固定すると共に筐体１０との間に大気導入口３１、３２を形成するステー４０と、導入管２１に固定された渦流発生バー５１と、を備えている。なお、希釈装置１は、トランクルームの床面を形成するフロアパネル２１１の下方に配置され、ステー（図示しない）を介して車体に固定されている。
【００３２】
＜筐体＞
筐体１０は、希釈装置１の骨格を形成し前後方向に延びる四角筒状かつ金属製の部材あり、その内部に希釈室１１（希釈部）を有している。希釈室１１は、第１希釈後ガス（主流）と大気（副流）とを混合し、第１希釈後ガスを大気で希釈する空間である。なお、第１希釈後ガスが希釈されることで、第１希釈後ガスに含まれる水素の濃度がさらに低下した第２希釈後ガスとなる。
【００３３】
筐体１０は、上流側から下流側に向かって、水平方向に延びる水平部１２と、水平部１２の下流端から後方斜め下方向に傾斜しながら延びる傾斜部１３と、を備えている。ガスの流れ方向において、水平部１２及び傾斜部１３の流路断面積は略同一である。そして、傾斜部１３の出口が、第２希釈後ガスの希釈装置１から車外への排出口１４を構成している。
【００３４】
＜導入管＞
導入管２１は、第１希釈後ガス（主流）を希釈室１１に導入する短円筒状の配管であり、前後方向に延びている。導入管２１は、水平部１２の上流部内であって、前後方向視（ガスの流れ方向視）において、水平部１２の略中央に配置されている（図３参照）。言い換えると、導入管２１は、水平部１２の輪切り断面において、水平部１２の略中央に配置されている。
【００３５】
導入管２１の下流側開口は、第１希釈後ガスを希釈室１１に導入する導入口２２を構成している。導入口２２は、渦流発生バー５１によって、上側の半円状を呈する上導入口２２Ａと、下側の半円状を呈する下導入口２２Ｂと、に分割されている。
【００３６】
前後方向において、導入管２１の上流端面は、後記する外嵌部４１のよりも若干後方に配置されている（図２（ｂ）参照）。導入管２１の上流端には、配管１３１ｂの下流部１３１ｃが接続されている。具体的には、下流部１３１ｃは、その後端が若干突出した状態で、フランジ２３を介してステー４０に固定されている。下流部１３１ｃ及び導入管２１と、フランジ２３及び導入管２１との間には、Ｏリング２４（シール部材）が設けられており、第１希釈後ガスが漏れないように構成されている。ただし、導入管２１を備えず、例えば、下流部１３１ｃがステー４０に差し込まれ、下流部１３１ｃが導入管である構成でもよい。
【００３７】
そして、第１希釈後ガスが導入管２１から水平部１２内に導入されると負圧が発生し、この負圧によって、外部の大気が大気導入口３１、３２を介して導入されるようになっている。
【００３８】
＜ステー＞
ステー４０は、導入管２１を水平部１２に固定する金属製の部材であり、導入管２１に外嵌する外嵌部４１と、外嵌部４１から径外方向に延び水平部１２の内周面に固定された２本の脚部４３及び脚部４４と、を備えている。
【００３９】
外嵌部４１の中央部には、前後方向に延びる短円筒部４２が形成されており、短円筒部４２が導入管２１に外嵌している。言い換えると、導入管２１は短円筒部４２内に差し込まれている。このように導入管２１は短円筒部４２に差し込まれているので、走行に伴って希釈装置１が振動しても、導入管２１の姿勢が維持され易くなっている。
【００４０】
脚部４３は、外嵌部４１の上部から上方に延び、水平部１２の内周面の天壁面中央に固定されている。脚部４３の径方向外側は、後方に折れ曲がり、水平部１２に固定された被固定部４３ａを構成している。
【００４１】
脚部４４は、外嵌部４１の下部から下方に延び、水平部１２の内周面の底壁面に固定されている。脚部４４の径方向外側は、後方に折れ曲がり、水平部１２に固定された被固定部４４ａを構成している。
【００４２】
＜大気導入口＞
大気導入口３１、３２は、ステー４０と水平部１２との間に形成された隙間（空間）であって、大気を水平部１２内に導入する導入口である。すなわち、大気導入口３１等は、第１希釈後ガスの導入に伴う負圧によって、大気を吸引し副流として導入する副流導入部である。
【００４３】
大気導入口３１は、ステー４０の左側に配置されている。大気導入口３２は、ステー４０の右側に配置されている。
【００４４】
＜渦流発生バー＞
渦流発生バー５１は、導入管２１からの第１希釈後ガスの渦流を発生させる丸棒状の部材である。すなわち、渦流発生バー５１は、希釈室１１において、第１希釈後ガスの層流化を妨げ、第１希釈後ガスの非定常流れである渦流を生成する非定常流れ生成部である。ただし、渦流発生バー５１は、丸棒状に限定されず、その他に例えば、細長の板状でもよい。
【００４５】
渦流発生バー５１は、左右方向に延びると共に、導入管２１の下流端に直接設けられている。そして、渦流発生バー５１は、導入管２１の導入口２２を、上導入口２２Ａと下導入口２２Ｂとに分割している。なお、渦流発生バー５１の周方向位置は、希釈後における水素濃度の分布に基づいて適宜に調整可能である。
【００４６】
≪希釈装置の作用効果≫
希釈装置１の作用効果を説明する。
第１希釈後ガスが導入管２１を通って希釈室１１に導入される。このように第１希釈後ガスが導入管２１を通って導入されると、導入管２１の下流端近傍において負圧が発生し、この負圧によって、車外の大気が、大気導入口３１、３２を通って希釈室１１に導入される。
【００４７】
この場合において、導入管２１の下流端に渦流発生バー５１が固定されているので、渦流発生バー５１を備えない構成に対して、導入口の断面積が小さくなっている。したがって、第１希釈後ガスの流量が一定である場合、導入口の断面積が小さいことにより、第１希釈後ガスの流速が大きくなる。よって、負圧も大きくなり、大気を吸引し易くなる。ゆえに、大気の吸引流量が増加するので、第１希釈後ガスをさらに良好に希釈できる。
【００４８】
第１希釈後ガスと大気とは希釈室１１において混合し、第１希釈後ガスは大気で希釈され水素の濃度が低下する。そして、第１希釈後ガスと大気とが混合することで生成した第２希釈後ガスは、排出口１４を通って車外に排出される。
【００４９】
ここで、第１希釈後ガスは、左右方向に延びる渦流発生バー５１に衝突し、上下方向において二股に分割され、上導入口２２Ａ、下導入口２２Ｂを通って希釈室１１に導入される。このように、第１希釈後ガスが左右方向に延びる渦流発生バー５１に衝突するので、衝突後の第１希釈後ガスがカルマン渦流となり（図２、矢印Ａ１参照）、第１希釈後ガスは上下方向（鉛直方向）において拡散する。
【００５０】
この場合において、上下方向における渦の幅は、渦流発生バー５１の上下方向長さ（直径）に比例する。すなわち、上下方向長さが大きくなると、上下方向における渦の幅が大きくなる。また、渦の発生周期は、第１希釈後ガスの流速に比例する。すなわち、第１希釈後ガスの流速が大きくなると、渦の発生周期が長くなる。
【００５１】
そして、このように第１希釈後ガスがカルマン渦流となり上下方向において拡散するので、希釈室１１において、第１希釈後ガスと大気とが上下方向において良好に混合する。このように混合し生成する第２希釈後ガスは、排出口１４の流路断面方向において、略均等に希釈されている（図５参照）。つまり、排出口１４の流路断面方向において、水素の濃度分布の偏りが形成され難くなる。なお、図５は、排出口１４を便宜的に領域Ｓ１〜Ｓ９に９分割しており、領域Ｓ１等に付した「○」は、水素が所定倍率（希釈率）以上で希釈されたことを示している。
【００５２】
これに対して、渦流発生バー５１を備えない場合、導入管２１からの第１希釈後ガスが希釈室１１を後方に向かって直進し易くなる（図２、矢印Ａ２参照）。このように、第１希釈後ガスが直進し、希釈室１１とそのまま通り抜け、大気で希釈され難くなるので、図６に示すように、排出口１４において、中央上側の領域Ｓ２が希釈不足「×」となり易くなる。すなわち、渦流発生バー５１を備えない場合、排出口１４において、上下方向において、水素濃度が偏ってしまう。
したがって、上下方向における第１希釈後ガス（対象ガス）の拡散が促進するように、左右方向に延びる渦流発生バー５１を設け、第１希釈後ガスを上下方向において分割させて導入する。
【００５３】
このようにして、渦流発生バー５１によって、カルマン渦流を発生させ、第１希釈後ガスを上下方向に拡散させることで、水素を良好に希釈できるので、例えば、前後方向において、筐体１０を短くできる。すなわち、希釈装置１を小型化できる。
【００５４】
≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更してもよい。
【００５５】
前記した実施形態では、渦流発生バー５１が導入管２１の下流端に固定された構成を例示したが、その他に例えば、渦流発生バー５１が導入管２１の下流端から離間して配置された構成でもよい。つまり、渦流発生バー５１が導入管２１よりも下流に配置された構成でもよい。この場合、渦流発生バー５１は、例えば、アームを介して筐体１０に固定される。また、渦流発生バー５１が、導入管２１内、つまり、導入管２１の下流端面よりも若干上流側に配置された構成でもよい。なお、このように構成でも同様の作用効果を得ることができ、本発明の技術的範囲に属する。
【００５６】
前記した実施形態では、渦流発生バー５１は左右方向に延び第１希釈後ガスを上下方向において拡散させる構成を例示したが、その他に例えば、第１希釈後ガスを左右方向において拡散させる必要がある場合、図７に示すように、上下方向に延びる渦流発生バー５２を導入管２１に固定した構成とする。
【００５７】
その他、第１希釈後ガスを上下方向及び左右方向において拡散させる必要がある場合、十字形を呈する渦流発生バー５３（図８参照）や、Ｙ字形を呈する渦流発生バー５４（図９参照）を導入管２１に固定した構成とする。また、渦流発生バー５１に代えて、適当な目開きのメッシュを備える構成としてもよい。
【００５８】
図１０に示すように、希釈装置１が、渦流発生バー５１（図２参照）に代えて、ファン６１（非定常流れ生成部）を備える構成としてもよい。ファン６１は、導入管２１の下流において、導入管２１からの第１希釈後ガスを水平部１２の輪切り断面方向（矢印Ａ３参照）に撹拌するように設けられている。ファン６１は、第１希釈後ガスによって回転する構成でもよいし、モータ等によって回転する構成でもよい。
【００５９】
図１１に示すように、希釈装置１が、渦流発生バー５１（図２参照）に代えて、円錐傘状のフィン６２（非定常流れ生成部）を備える構成としてもよい。フィン６２は、導入管２１の下流において、導入管２１からの第１希釈後ガスを水平部１２の輪切り断面方向（矢印Ａ４参照）に撹拌するように設けられている。
【００６０】
前記した実施形態では、希釈対象ガスが燃料電池スタック１１０から排出された水素である構成を例示したが、その他の種類のガスでもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１      希釈装置
１０    筐体
１１    希釈室（希釈部）
２１    導入管（主流導入部）
２２    導入口
３１、３２  大気導入口（副流導入部）
５１、５２、５３、５４  渦流発生バー（非定常流れ生成部）
６１    ファン（非定常流れ生成部）
６２    フィン（非定常流れ生成部）
１００  燃料電池システム
１１０  燃料電池スタック
【図１】
2016013524.tif 000003
【図２】
2016013524.tif 000004
【図３】
2016013524.tif 000005
【図４】
2016013524.tif 000006
【図５】
2016013524.tif 000007
【図６】
2016013524.tif 000008
【図７】
2016013524.tif 000009
【図８】
2016013524.tif 000010
【図９】
2016013524.tif 000011
【図１０】
2016013524.tif 000012
【図１１】
2016013524.tif 000013