(57)【要約】【課題】排出水素ガスの希釈機能と、排気音の消音機能とを、より有利に実現可能な燃料電池の排出ガス処理装置の提供。【解決手段】アノード電極側から排出される水素ガスのガス導入口２１と拡散空間２２とを備える収容体２０と、カソード電極側から排出される空気を大気に排出する空気流通管体３０と、を有する。拡散空間２２に収容された水素ガスが、空気流通管体３０と収容体２０との共用壁３１に設けられるガス侵入部３２を通して空気流通管体３０内に流入し、空気流通管体３０内の空気にて希釈されて該空気と共に大気に排出される。共用壁３１に透孔３３を設けるとともに、該透孔３３を閉塞する第１の薄膜４０が設けられる。拡散空間２２に設けられる絞り板２３に透孔２３ａを設けるとともに、該透孔２３ａを閉塞する第２の薄膜４１が設けられる。【選択図】        図３
2017224385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ガス導入口と該ガス導入口よりも流路断面積が大きい拡散空間とを備え、燃料電池のアノード電極側から排出される水素ガスを、前記ガス導入口から前記拡散空間に導入して拡散しつつ収容する収容体と、
（ｂ）カソード電極側から排出される空気を大気に排出する空気流通管体と、
を有し、前記空気流通管体を構成する壁の一部が前記収容体を構成する壁の一部をも構成する共用壁となっており、前記拡散空間に収容された水素ガスが、前記共用壁に設けられるガス侵入部を通して前記空気流通管体内に流入し、該空気流通管体内の空気にて希釈されて該空気と共に大気に排出される、燃料電池の排出ガス処理装置であって、
前記共用壁に透孔を設けるとともに、該透孔を閉塞するように第１の薄膜が前記共用壁に接触配置されており、
前記拡散空間に該拡散空間の断面積を絞る絞り板を設けることで、前記拡散空間を、前記絞り板より水素ガス流れ方向上流側にある上流側拡散空間と前記絞り板より水素ガス流れ方向下流側にある下流側拡散空間とに分けており、前記絞り板に透孔を設けるとともに、該透孔を閉塞するように第２の薄膜が前記絞り板に接触配置されている、
燃料電池の排ガス処理装置。
【請求項２】
前記第１の薄膜は、前記共用壁の前記空気流通管体側の面に接触配置されている、請求項１記載の燃料電池の排ガス処理装置。
【請求項３】
前記第２の薄膜は、前記絞り板の前記上流側拡散空間側の面に接触配置されている、請求項１または請求項２記載の燃料電池の排ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の排ガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に優しく、しかも発電効率の高い燃料電池が注目され、様々な用途への利用が試みられている。例えば、そのような燃料電池を駆動源として利用する燃料電池車が、次世代の自動車として期待され、実用化へ向けた動きが本格化してきている。
【０００３】
ところで、燃料電池車に搭載される純粋素（以下、水素という）を燃料とした燃料電池システムにおいては、多くの場合、アノード電極側から排出された未使用の水素を含むガスを、再度、アノード電極側に供給する循環装置が設けられて、燃料水素の利用効率の向上が図られている。しかしながら、このアノード電極側からの排出ガスの循環装置による循環を長時間に亘って続けていると、窒素や発電時に生じる生成水等の不純物が排出ガス中に増加してしまい、その結果、発電効率の低下が不可避的に引き起こされる。
【０００４】
そこで、そのような燃料電池システムでは、パージ操作が間欠的に実施されて、不純物が増加した排出ガスが大気中に定期的に排出されるようになっているが、このアノード電極側から排出される排出ガス中には、高濃度の水素ガスが含まれているため、そのような排出ガスの大気中への排出に際しては、それに含まれる水素ガスを安全上問題のない程度にまで希釈する必要があった。
【０００５】
このような状況下、パージ操作によりアノード電極側から排出される水素ガスを、カソード電極側から排出される空気にて希釈して、大気中に排出するようにした燃料電池の排出ガス希釈装置（排出水素処理装置）が、提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００６】
また、そのような燃料電池の排出ガス希釈装置と同様な基本構造を有し、空気の排気音（例えば、空気が空気流通管体内を高速で流れる際に発生する流体音や、コンプレッサ等を用いて、燃料電池に空気を間欠的に供給する際に生じる脈動音等）と水素ガスの排気音（例えば、水素ガスのパージ操作の実施時に生じるパージ音等）の消音あるいは低減構造をも備えた燃料電池の排出ガス処理装置が、提案されている（例えば、下記特許文献２，文献３参照）
【０００７】
しかし、従来の処理装置にはつぎの問題点がある。
（希釈機能）
単純な筒体形状である収納体内での水素ガスの拡散作用に基づいて図られているところから、この水素ガスの拡散作用を、より十分に発揮させるためには、収容体内での水素ガスの流れの断面積を、ガス導入口の開口面積の数倍程度にする必要があり、装置全体の大型化が避けられないものとなっていた（特許文献１，２）。
（消音機能）
単純な筒体形状である膨張室内での空気の膨張作用に基づいて図られているところから、消音作用を、より十分に発揮させるためには、膨張室の断面積を、空気流通管体の流路断面積の数倍程度にする必要があり、装置全体の大型化が避けられないものとなっていた（特許文献２）。また、吸音材の作用に基づいた場合、燃料電池において生じる水蒸気によって、吸音材が含水し、消音性能が低下するといった不具合が引き起こされていた（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１２７６６６号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６４０号公報
【特許文献３】特開２００７−２６７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、排出水素ガスの希釈機能と、排気音の消音機能とを、より有利に実現可能な燃料電池の排出ガス処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  （ａ）ガス導入口と該ガス導入口よりも流路断面積が大きい拡散空間とを備え、燃料電池のアノード電極側から排出される水素ガスを、前記ガス導入口から前記拡散空間に導入して拡散しつつ収容する収容体と、
（ｂ）カソード電極側から排出される空気を大気に排出する空気流通管体と、
を有し、前記空気流通管体を構成する壁の一部が前記収容体を構成する壁の一部をも構成する共用壁となっており、前記拡散空間に収容された水素ガスが、前記共用壁に設けられるガス侵入部を通して前記空気流通管体内に流入し、該空気流通管体内の空気にて希釈されて該空気と共に大気に排出される、燃料電池の排出ガス処理装置であって、
前記共用壁に透孔を設けるとともに、該透孔を閉塞するように第１の薄膜が前記共用壁に接触配置されており、
前記拡散空間に該拡散空間の断面積を絞る絞り板を設けることで、前記拡散空間を、前記絞り板より水素ガス流れ方向上流側にある上流側拡散空間と前記絞り板より水素ガス流れ方向下流側にある下流側拡散空間とに分けており、前記絞り板に透孔を設けるとともに、該透孔を閉塞するように第２の薄膜が前記絞り板に接触配置されている、
燃料電池の排ガス処理装置。
（２）  前記第１の薄膜は、前記共用壁の前記空気流通管体側の面に接触配置されている、（１）記載の燃料電池の排ガス処理装置。
（３）  前記第２の薄膜は、前記絞り板の前記上流側拡散空間側の面に接触配置されている、（１）または（２）記載の燃料電池の排ガス処理装置。
【発明の効果】
【００１１】
上記（１）の燃料電池の排ガス処理装置によれば、つぎの効果を得ることができる。
（Ａ．希釈機能）
（Ａ１）拡散空間に該拡散空間の断面積を絞る絞り板を設けることで、拡散空間を上流側拡散空間と下流側拡散空間とに分けている。そのため、水素ガスは、ガス導入口から上流側拡散空間に流入するときだけでなく、絞り板部位から下流側拡散空間に流入するときにも拡散される。そのため、拡散空間が１つの空間のみを有する場合に比べて、ガス導入口から拡散空間に導入される水素ガスを拡散空間にて効果的に拡散させることができる。
（Ａ２）共用壁に透孔を設けるとともに、該透孔を閉塞するように第１の薄膜が共用壁に接触配置されているため、空気流通管体を流れる空気の流れ及び振動（排気音）によって、第１の薄膜が振動する。また、絞り板に透孔を設けるとともに、該透孔を閉塞するように第２の薄膜が絞り板に接触配置されているため、拡散空間内を流れる水素ガスの流れによって、第２の薄膜が振動する。これら第１、第２の薄膜の振動により拡散空間内の水素ガスが揺らされて効果的に拡散される。
以上の（Ａ１）、（Ａ２）の相乗効果により、拡散空間で水素ガスを確実に拡散させることができ、水素がかたまりのままガス侵入部を通って空気流通管体内に流入することを確実に抑制できる。その結果、水素ガスの希釈機能を向上させることができる。これにより拡散空間の小型化を図ることができ、装置の小型化を図ることができる。
（Ｂ．消音機能）
共用壁に透孔を設けるとともに、該透孔を閉塞するように第１の薄膜が共用壁に接触配置されているため、空気流通管体を流れる空気の流れ及び振動（排気音）によって、第１の薄膜が振動する。また、拡散空間に収容された水素ガスの流れ及び振動によっても第１の薄膜が振動する。したがって、第１の薄膜が振動しない場合に比べて消音性能を向上させることができる。
また、薄膜が従来の吸音材と異なり含水しない材質で構成されることで、燃料電池において生じる水蒸気によって消音機能が低下することを抑制できる。
【００１２】
上記（２）の燃料電池の排ガス処理装置によれば、つぎの効果を得ることができる。
第１の薄膜が共用壁の空気流通管体側の面に接触配置されているため、共用壁に透孔が設けられる場合であっても、空気流通管体の内壁面に凹凸ができてしまうことを抑制できる。よって、共用壁に透孔が設けられる場合であっても、空気流通管体内を流れる空気の流れが乱れて渦が発生することを抑制できる。
【００１３】
上記（３）の燃料電池の排ガス処理装置によれば、つぎの効果を得ることができる。
第２の薄膜が絞り板の上流側拡散空間側の面に接触配置されているため、第２の薄膜が絞り板の下流側拡散空間側の面に接触配置される場合に比べて、ガス導入口から拡散空間に流入してくる水素ガスを効率よく第２の薄膜に当てることができ、第２の薄膜を効率よく振動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明実施例の燃料電池の排ガス処理装置の斜視図である。
【図２】本発明実施例の燃料電池の排ガス処理装置の正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線部位における断面図である。
【図４】図３のＢ部拡大図である。
【図５】図３のＣ−Ｃ線部位における断面図である。
【図６】図５のＤ部拡大図である。
【図７】本発明実施例の燃料電池の排ガス処理装置の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明実施例の燃料電池の排ガス処理装置（以下、単に処理装置または装置ともいう）を、図面を参照して、説明する。
【００１６】
本発明実施例の処理装置１０は、燃料電池車に装着される。図３に示すように、処理装置１０は、図示略の燃料電池のアノード電極側から排出される水素ガスを収容する収容体２０と、カソード電極側から排出される空気を大気に排出する空気流通管体３０と、を有し、空気流通管体３０を構成する壁の一部が収容体２０を構成する壁の一部をも構成する共用壁３１となっており、拡散空間２２に収容された水素ガスが、共用壁３１に設けられるガス侵入部３２を通して空気流通管体３０内に流入し、空気流通管体３０内の空気にて希釈されて該空気と共に大気に排出される、燃料電池の排出ガス処理装置である。
【００１７】
収容体２０は、空気流通管体３０の外側に配置されている。収容体２０は、収容体２０を流れる水素ガスの流れ方向で上流側にある前壁２０ａと、前壁２０ａより下流側にある後壁２０ｂと、空気流通管体３０の外側にあり前壁２０ａと後壁２０ｂとの外縁同士を繋ぐ連結壁２０ｃと、を備えて形成されており、ガス導入口２１と、ガス導入口２１よりも流路断面積が大きい拡散空間２２と、を有する。
【００１８】
ガス導入口２１は、前壁２０ａの上下方向中間部よりも上側に設けられており、たとえば前壁２０ａの上端部（近傍を含む）に設けられている。ガス導入口２１には、燃料電池のアノード電極側から延びるアノード側排気管６０が接続されており、燃料電池のアノード電極側からパージ操作により間欠的に排出されてアノード側排気管６０を流れてきた水素ガスは、ガス導入口２１から拡散空間２２に導入されて拡散されつつ収容される。
【００１９】
拡散空間２２は、収容体２０の内部空間である。具体的には、拡散空間２２は、空気流通管体３０の外側で、前壁２０ａ、後壁２０ｂおよび連結壁２０ｃにて囲まれる空間である。拡散空間２２の流路断面積は、後述する絞り板２３が設けられる部位を除いて、ガス導入口２１よりも大きくなっている。ただし、拡散空間２２の流路断面積は、絞り板２３が設けられる部位においても、ガス導入口２１よりも大きくなっていてもよい。
【００２０】
拡散空間２２には、前壁２０ａと後壁２０ｂとの間に、前壁２０ａおよび後壁２０ｂと間隔をおいて絞り壁２３が設けられている。絞り板２３は、水素ガス流れ方向でガス侵入部３２よりも上流側に設けられている。絞り板２３は、１つのみ設けられている場合を図示しているが間隔をおいて複数設けられていてもよい。絞り壁２３の板厚は、前壁２０ａ、後壁２０ｂおよび連結壁２０ｃと同じかまたはほぼ同じ厚さとされている。絞り壁２３は、連結壁２０ｃから共用壁３１に向って延びており、延び方向の先端は共用壁３１に達しておらず共用壁３１との間に隙間Ｓが存在している。そのため、絞り板２３を設けることで絞り板２３が設けられる部位における拡散空間２２の流路断面積を絞る（小さくする）ことができる。絞り板２３により拡散空間２２は、絞り板２３より水素ガス流れ方向上流側にある上流側拡散空間２２ａと、絞り板２３より水素ガス流れ方向下流側にある下流側拡散空間２２ｂとに分けられる。ガス導入口２１から拡散空間２２に導入される水素ガスは、まず上流側拡散空間２２ａに導入されて拡散され、絞り壁２３部位における隙間Ｓを通って下流側拡散空間２２ｂに導入されて拡散され、その後、ガス侵入部３２から空気流通管体３０内に流入されて、空気流通管体３０内の空気と共にガス排出口３４から大気に排出される。絞り板２３は、ガス導入口２１から拡散空間２２内に導入される水素ガスが絞り板２３に直接当たるように、ガス導入口２１に対向する位置を含んで設けられている。
【００２１】
空気流通管体３０は、円筒管形状である。空気流通管体３０は、内部を流れる空気の流れ方向下流側端部に大気に開放するガス排出口３４を備えており、燃料電池のカソード電極側から排出される空気を大気に排出する。空気流通管体３０を構成する管壁のうち、収容体２０を構成する壁の一部にもなる壁（拡散空間２２に接する壁）が、共用壁３１となっている。また、この共用壁３１に孔を設けるまたは共用壁３１の長さを短くすることによりガス侵入部３２が設けられている。ガス侵入部３２により、拡散空間２２と空気流通管体３０の内部空間とが連通する。ガス侵入部３２は、空気流通管体３０を流れる空気の流れ方向で、また、拡散空間２２を流れる水素ガス流れ方向で、共用壁３１の後端部に設けられている。
【００２２】
共用壁３１のうち、空気流通管体３０を流れる空気の流れ方向でガス侵入部３２よりも上流側の部位に、透孔（貫通孔のことであり、以下、第１の透孔という）３３が設けられており、該第１の透孔３３を閉塞するように第１の薄膜４０が共用壁３１に接触配置（接着）されている。
【００２３】
第１の透孔３３は、共用壁３１の全域（ほぼ全域を含む）にわたって設けられている。第１の透孔３３は、１つのみ設けられていてもよく、図示例のように複数設けられていてもよい。第１の透孔３３が複数設けられる場合、第１の透孔３３の全てが第１の薄膜４０にて閉塞される。第１の薄膜４０は弾性体である。第１の薄膜４０は、含水しない材料であり気体も液体も通さない材料で構成されており、たとえば、ポリプロピレンなどの樹脂製であってもよく、アルミ箔などの金属製であってもよい。第１の薄膜４０の厚みは数ミクロンから数十ミクロン程度とされており、ピンと張った状態で風が当たった時などにパタパタ揺れるようにされている。第１の薄膜４０は、共用壁３１の空気流通管体３０側の面（内周面）３１ａに接触配置されている。
【００２４】
収容体２０の拡散空間に設けられる絞り板２３にも、透孔（貫通孔のことであり、以下、第２の透孔という）２３ａが設けられており、該第２の透孔２３ａを閉塞するように第２の薄膜４１が絞り板２３に接触配置（接着）されている。
【００２５】
第２の透孔２３ａは、絞り板２３の全域（ほぼ全域を含む）にわたって設けられている。第２の透孔２３ａは、１つのみ設けられていてもよく、図示例のように複数設けられていてもよい。第２の透孔２３ａが複数設けられる場合、第２の透孔２３ａの全てが第２の薄膜４１にて閉塞される。第２の薄膜４１は弾性体である。第２の薄膜４１は、含水しない材料であり気体も液体も通さない材料で構成されており、たとえば、ポリプロピレンなどの樹脂製であってもよく、アルミ箔などの金属製であってもよい。第２の薄膜４１の厚みは数ミクロンから数十ミクロン程度とされており、ピンと張った状態で風が当たった時などにパタパタ揺れるようにされている。第２の薄膜４１の材料および厚みは、第１の薄膜４０の材料および厚みと、同じであってもよく異なっていてもよい。第２の薄膜４１は、絞り板２３の上流側拡散空間２２ａ側の面（水素ガス導入口２１側の面）２３ｂに接触配置されている。
【００２６】
以上のような処理装置１０は、たとえば、図７に示すように、ガス導入口２１の構成部および絞り板２３を備える収容体アッパ５０、第２の薄膜４１、空気流通管体３０を備える収容体ミドル５１、第１の薄膜４０、および収容体ロア５２、の各部品を組付けあうことで作製される。詳しくは、第２の薄膜４１を収容体アッパ５０に接着し、収容体ミドル５１に第１の薄膜４０を接着した後に収容体ロア５２を接着または溶着し、その後に収容体アッパ５０と収容体ミドル５１を接着または溶着することで作製される。
【００２７】
つぎに、本発明実施例の効果を説明する。
【００２８】
（Ａ．希釈機能）
（Ａ１）図３に示すように、拡散空間２２に拡散空間２２の断面積を絞る絞り板２３を設けることで、拡散空間２２を上流側拡散空間２２ａと下流側拡散空間２２ｂとに分けている。そのため、水素ガスは、ガス導入口２１から上流側拡散空間２２ａに流入するときだけでなく、絞り板２３部位の隙間Ｓから下流側拡散空間２２ｂに流入するときにも拡散される。そのため、拡散空間２２が１つの空間のみを有する場合に比べて、ガス導入口２１から拡散空間２２に導入される水素ガスを拡散空間２２にて効果的に拡散させることができる。
（Ａ２）共用壁３１に第１の透孔３３を設けるとともに、該透孔３３を閉塞するように第１の薄膜４０が共用壁３１に接触配置されているため、空気流通管体３０を流れる空気の流れ及び振動（排気音）によって、第１の薄膜４０が振動する。また、絞り板２３に第２の透孔２３ａを設けるとともに、該透孔２３ａを閉塞するように第２の薄膜４１が絞り板２３に接触配置されているため、拡散空間２２内を流れる水素ガスの流れによって、第２の薄膜４１が振動する。これら第１、第２の薄膜４０，４１の振動により拡散空間２２内の水素ガスが揺らされて効果的に拡散される。
以上の（Ａ１）、（Ａ２）の相乗効果により、拡散空間２２で水素ガスを確実に拡散させることができ、水素がかたまりのままガス侵入部３２を通って空気流通管体３０内に流入することを確実に抑制できる。その結果、水素ガスの希釈機能を向上させることができる。これにより拡散空間の小型化を図ることができ、装置１０の小型化を図ることができる。
【００２９】
（Ｂ．消音機能）
共用壁３１に第１の透孔３３を設けるとともに、該透孔３３を閉塞するように第１の薄膜４０が共用壁４１に接触配置されているため、空気流通管体３０を流れる空気の流れ及び振動（排気音）によって、第１の薄膜４０が振動する。また、拡散空間２２に収容された水素ガスの流れ及び振動によっても第１の薄膜４０が振動する。したがって、第１の薄膜４０が振動しない場合に比べて消音性能を向上させることができる。
【００３０】
第１、第２の薄膜４０，４１が従来の吸音材と異なり含水しない材質で構成されているため、燃料電池において生じる水蒸気によって上記（Ａ．希釈機能），（Ｂ．消音機能）が低下することを抑制できる。
【００３１】
第１の薄膜４０が共用壁３１の空気流通管体３０側の面に接触配置されているため、共用壁３１に第１の透孔３３が設けられる場合であっても、空気流通管体３０の内壁面に凹凸ができてしまうことを抑制できる。よって、共用壁３１に第１の透孔３３が設けられる場合であっても、空気流通管体３０内を流れる空気の流れが乱れて渦が発生することを抑制できる。
【００３２】
第２の薄膜４１が絞り板２３の上流側拡散空間２２ａ側の面に接触配置されているため、第２の薄膜４１が絞り板２３の下流側拡散空間２２ｂ側の面に接触配置される場合に比べて、ガス導入口２１から拡散空間２２に流入してくる水素ガスを効率よく第２の薄膜４１に当てることができ、第２の薄膜４１を効率よく振動させることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  燃料電池の排ガス処理装置
２０  収容体
２０ａ  前壁
２０ｂ  後壁
２０ｃ  連結壁
２１  ガス導入口
２２  拡散空間
２２ａ  上流側拡散空間
２２ｂ  下流側拡散空間
２３  絞り板
２３ａ  第２の透孔
２３ｂ  絞り板の上流側拡散空間側の面
３０  空気流通管体
３１  共用壁
３１ａ  共用壁の空気流通管体側の面
３２  ガス侵入部
３３  第１の透孔
３４  ガス排出口
４０  第１の薄膜
４１  第２の薄膜
５０  収容体アッパ
５１  収容体ミドル
５２  収容体ロア
６０  アノード側排気管
Ｓ  絞り板部位における隙間
【図１】
2017224385.tif 000003
【図２】
2017224385.tif 000004
【図３】
2017224385.tif 000005
【図４】
2017224385.tif 000006
【図５】
2017224385.tif 000007
【図６】
2017224385.tif 000008
【図７】
2017224385.tif 000009