JP2004127749A - 燃料電池の排出ガス処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】空気と水素ガスをそれぞれ供給されて発電する燃料電池からパージされ、滞留室18に滞留された水素ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、前記燃料電池の発電停止後も所定時間、前記燃料電池のカソードに空気を供給することで前記滞留室18に滞留する水素を排出することを特徴とする。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の動力源とな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】
電気自動車(以下、「車両」という。)の動力源となる燃料電池システムが、例えば、純水素(以下、「水素」という。)を燃料とする場合、燃料電池システムへの水素供給は、その利用効率を上げる(燃費を良くする)ために、アノード配管系に循環系を採用している(例えば、特許文献1参照)。
循環方式としては、水素を加圧するブロアや負圧を発生させて水素を吸引するエゼクタや、真空ポンプなどを利用する。そして、循環系においては、再循環を長時間続けていると水素中の不純物、例えば窒素の濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。この水素は不純物が含まれていても濃度が高いので、濃度の高い水素をそのまま外部に排出したのでは不都合が多い。
そこで希釈器内で水素を低濃度に希釈してから外部に排出するようにしている。また、水分が溜まって燃料電池スタックのアノード配管系内の水素の流れを悪くすることがある。この水分も希釈器を通じて外部に排水するようにしている。尚、特許文献1には、パージされる水素を希釈して外部に排出するという思想は開示されていない。
【0003】
【特許文献1】
特開平6−275300号公報(第4頁、図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
そこで信号待ちで車両が停止したときなどに頻繁に不純物、例えば窒素の混じった水素や水のパージを行っている。ところでイグニッションスイッチを切り、燃料電池スタックの発電を完全に停止するとカソードオフガス(排気空気)の流れがなくなるので希釈器内には、パージされなかった水素が滞留している。この水素は、そのままにしておくと自然拡散することにより、燃料電池システムを構成する燃料電池スタックや配管中に逆流する虞があった。
【0005】
そこで、本発明は、燃料電池の発電停止後に希釈器内に滞留する水素の濃度を低減して排出する装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための手段として、本発明に係る請求項1の燃料電池の排出ガス処理装置は、空気と水素ガスをそれぞれ供給されて発電する燃料電池からパージされ、滞留室に滞留された水素ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、前記燃料電池の発電停止後も所定時間、前記燃料電池のカソードに空気を供給することで前記滞留室に滞留する水素を排出することを特徴とする。
【0007】
このような構成としたことにより、請求項1に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、燃料電池の発電停止後も所定時間、燃料電池のカソードに空気の供給を継続するので、滞留室に滞留する水素は次第に希釈されて排出される。
【0008】
本発明に係わる請求項2の燃料電池の排出ガス処理装置は、空気と水素ガスをそれぞれ供給されて発電する燃料電池からパージされ、滞留室に滞留された水素ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、前記滞留室の上部に水素逃がし弁を設け、前記燃料電池の発電停止時に、前記水素逃がし弁を開放し、この逃がし弁に連通する通路に前記燃料電池の換気用空気の供給を行うことで前記滞留室に滞留する水素を排出することを特徴とする。
【0009】
このような構成としたことにより、請求項2に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、燃料電池スタックの発電を停止するときは、カソード排気の希釈器への流入を停止し、換気用空気の供給を行い逃がし弁を開くことで、滞留室内の滞留水素は吸い出されて排気される。
【0010】
本発明に係わる請求項3の燃料電池の排出ガス処理装置は、前記逃がし弁に連通する通路の下流に水素センサを設け、前記燃料電池の発電中に前記逃がし弁の故障の有無を検出することを特徴とする。
【0011】
このような構成としたことにより、請求項3に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、万一逃がし弁が故障して開きっぱなしになっても、水素センサが逃がし弁に連通する通路に洩れた水素を検知するので、逃がし弁の故障が分かる。
【0012】
【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について実施の形態を説明する。
【0013】
参照する図面において、図1は燃料電池電気自動車における排出燃料希釈器を含む燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図、図2は排出燃料希釈器のシステム図である。
【0014】
図1に示すように、燃料電池電気自動車1の略中央部の床下に、燃料電池システムボックス2が搭載されている。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、即ち、温調器3、燃料電池スタック4、加湿器5、及び排出燃料希釈器6が車両1の前方から後方に向かって順に載置されている。燃料電池システムはこれらのほか、燃料電池スタック4を冷却する図示せぬラジエタ、高圧水素容器などから構成される。
【0015】
燃料電池スタック4は、高圧水素容器に貯留された燃料となる水素と、車外から取り入れた空気を供給されて発電を行い、車両1を駆動するための電気を供給する。この燃料電池スタック4を好適に作動させるために、温調器3で燃料電池スタック4に供給される水素及び空気の温度調整を行い、加湿器5で燃料電池スタック4に供給される水素及び空気を加湿する。排出燃料希釈器6は、アノード配管系からのパージ水素を放出させて滞留させ、排出空気と混合して希釈してから外部に排出する。
【0016】
燃料電池スタック4で一度使用された水素は、その利用効率を上げる(燃費を良くする)ため、配管7により加湿器5の上流側に戻され循環系を構成している。又、長時間再循環された水素は不純物の濃度が高くなるので、あるいは、内部に水が溜まるので、この水素及び水をパージするため、循環系の配管7から分岐したパージ水素配管8が排出燃料希釈器6に接続されている。パージ水素配管8には自動、又は手動で作動する開閉弁9が設けられ、通常時には閉じられ、パージのとき開かれる。
また、燃料電池スタック4のアノード極のドレーン、及び加湿器5のドレーンを排出するために、アノードドレーン配管10、及び加湿器ドレーン配管11が排出燃料希釈器6に接続されている。アノードドレーン配管10、及び加湿器ドレーン配管11には、それぞれ自動、又は手動で作動する開閉弁12,13が設けられている。
【0017】
燃料電池スタック4から排出されるカソードオフガスを排出するための、カソードオフガス配管14が排出燃料希釈器6に接続されている。排出燃料希釈器6内のカソードオフガス配管14には、この排出燃料希釈器6内(滞留室18)に滞留する水素を吸い込む穴部17,17が設けられている。
排出燃料希釈器6の上部には、循環系のパージ水素配管8やアノードドレーン配管10、及び加湿器ドレーン配管11から放出されるパージ水素の入口部20,20、20が設けられている。排出燃料希釈器6内は、入口部20から放出された水素の滞留室18をなす。
【0018】
燃料電池システムボックス2は、概略以上のように構成されており、排出燃料希釈器6内の滞留室18に放出されたパージ水素は拡散して容積が拡大することでしばらく滞留される。その後、パージ水素は、排出燃料希釈器6内に導入されたカソードオフガス配管14内を排気空気が流れているため、穴部17,17から吸い込まれて排気空気と混合して希釈され、低濃度となって外部に排出される。加湿器5や燃料電池スタック4から出る排気空気中の凝縮水も排気空気と一緒に排出される。尚、15は逆火防止フィルタ、16は排水用孔である。
【0019】
次に図3を参照して、本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の第1の実施形態を説明する。
排出燃料希釈器6では、信号待ちで車両が停止したときなどに頻繁に不純物の混じった水素のパージを行っている。ところでイグニッションスイッチを切り、燃料電池スタック4の発電を完全に停止すると、排気空気の流れがなくなるので、排出燃料希釈器6内には水素が滞留することになる。又、燃料電池スタック4内にも水素が滞留することになる。
第1の実施形態では、燃料電池スタック4の発電停止後、この排出燃料希釈器6内に滞留した水素を掃気するため、掃気システムを設けた。掃気システムは、発電を停止したあとも、排出燃料希釈器6に燃料電池スタック4からのカソード排気を行うスーパチャージャ22のような送風手段と、発電を停止したあと燃料電池スタック4に残るガスを、換気用配管23を通して換気するためのファン24のような換気手段を備えている。なお、符号25は、カソード出口である。
【0020】
第1の実施形態によれば、スーパチャージャ22は、図5のタイムチャートに示すように、パージ中は勿論、イグニションスイッチを切って発電を停止したあとも、所定期間継続して運転される。そして、図4に示すように、排出燃料希釈器6に燃料電池スタック4からのカソード排気(即ち排出空気の供給)を行い、所定期間(即ち、所定時間)、又は水素濃度が所定値以下になるまで継続して運転される。スーパチャージャ22の所定の運転時間(所定期間)は、排出燃料希釈器6の容積と単位時間当たりのパージ水素の排出量とを知って割り出す。又、水素濃度を検出するためには、別に排出燃料希釈器6内に水素センサを設けて、所定期間の終了を監視する。
スーパチャージャ22からの送風は、図3に示すように、燃料電池スタック4に入り、カソード排気をおこなう。スーパチャージャ22によるカソード排気は、カソードオフガスとして排出燃料希釈器6内を通流する。この際、滞留室18内の水素を吸引して希釈する。また、スーパチャージャ22によるカソード排気は、加湿器5(図2参照)からのドレーンやスタックカソードドレーン、排出燃料希釈器6に放出される(図3の排出燃料希釈器6の右側の3つの矢印)。これにより水素やドレーンの水は流れが速く圧力が小さい排気空気が流れている(ベルヌーイの定理)カソードオフガス配管14に設けられた穴部17,17、排水用孔16,16(図1参照)から、このカソードオフガス配管14内に吸い込まれ、中を流れる速度の速い排気空気と混合され、希釈されながら排気空気の流れに引っ張られるようにしてカソード出口25(図4参照)から外部に低濃度の水素となって排出され、ドレーンの水も同様にして排水される。
このようにイグニッションスイッチを切ったあとも、スーパチャージャ22を駆動することで滞留室18の水素を希釈して排出できるので、自然拡散や逆流を防止することができる。
【0021】
図6を参照して、本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の第2の実施形態を説明する。尚、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
第2の実施形態では、換気用配管23と排出燃料希釈器6との間を配管28で接続し、配管28の途中に圧力調整が可能な(スーパチャージャ22によって供給されるカソードオフガスの圧力の相違によって開閉する)ベントバルブのような逃がし弁29を設けた。又、配管28と換気用配管23との接続部には換気用配管23よりも内径が狭くなったスロート部30aを有するインジェクタ30を設けた。逃がし弁29は、スーパチャージャ22からの信号圧(カソード圧)が、例えば、15KPa以上のとき閉じ、5KPa以下になったとき開くように調整されている。尚、ファン24は燃料電池スタック4の外側を換気するファンである。
【0022】
第2の実施形態によれば、図8に示すようにイグニションスイッチが切られ、発電が停止すると、スーパチャージャ22の運転は停止されるが、ファン24はそのまま継続して運転される。スーパチャージャ22の運転が停止されると、スーパチャージャ22からの信号圧(カソード圧)が5KPa以下と
なって、図7に示す逃がし弁29が開く。このとき、イジェクタ30(図6参照)のスロート部30aが換気用配管23よりも狭まっているので、ファン24によって送風される風速は速くなり、排出燃料希釈器6側よりも圧力が下がる。そのためスロート部に吸引力が生じ、この吸引力で排出燃料希釈器6内の滞留室18に滞留しているパージ水素は吸い出され、換気用配管23内を通流する空気と混合されて希釈され、低濃度の水素となってスタック換気出口26から外部に排気される。
尚、ファン24の停止は、例えば、第1の実施形態と同様に、計算は滞留室18の水素濃度の監視によって行われる。
この第2の実施形態によれば、大概の燃料電池システム2が標準的に装えているファン24を活用して、発電終了後、滞留室18の水素を希釈して排出することができる。
【0023】
図9を参照して、本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の第3の実施形態を説明する。尚、第1の実施形態及び第2の実施形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
第3の実施形態は、第1の実施形態と第2の実施形態の構成と機能を併せ持つものである。
第3の実施形態によれば、図10に示すようにイグニションスイッチが切られ、発電が停止したあとも、スーパチャージャ22の運転は所定期間継続して行われ、ファン24もそのまま継続して運転される。スーパチャージャ22の運転が継続されると、スーパチャージャ22からの信号圧(カソード圧)は15kPa以上なので、逃がし弁29は閉じられている。そして、図9に示すように、排出燃料希釈器6に燃料電池スタック4からのカソード排気を行い、所定期間、即ち、所定時間、又は水素濃度が所定値以下になるまで継続して運転される。
カソード排気によって排出燃料希釈器6に入ったパージ水素及びドレーンは、図3に示すように、拡散して容積が拡大することでしばらく滞留したあと、流れが速く圧力が小さい排気空気(カソード排気)が流れているカソードオフガス配管14に設けられた穴部17,17(図2参照)から、このカソードオフガス配管14内に吸い込まれ、中を流れる速度の速い排気空気と混合され、希釈されながら排気空気の流れに引っ張られるようにしてカソード出口25(図9参照)から外部に低濃度の水素となって排出される。
所定期間のスーパチャージャの運転が終了すると、スーパチャージャ22からの信号圧(カソード圧)が5kPa以下となって、図9に示す逃がし弁29が開く。その結果、換気インジェクタ30(図6参照)のスロート部30aに吸引されて、排出燃料希釈器6内に滞留している高濃度のパージ水素(滞留水素)は吸い出され、換気用配管23内を通流する空気と混合されて希釈され、低濃度の水素となってスタック換気出口26から外部に排気される。
【0024】
図11を参照して、本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の第4の実施形態を説明する。尚、第1の実施形態及び第2の実施形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
第4の実施形態では、換気用配管23の下流側に水素センサ31を設けた。
この第4の実施形態によれば、発電停止時に、逃がし弁29が故障して開きっぱなしになったり、或いは部分的に開いてしまうと、水素センサ31によって排出燃料希釈器6から換気用配管23に洩れた水素が検知されるので、換気用配管23の下流側で水素濃度が上昇するのを監視することができる。これにより、万一、逃がし弁29が故障しても、これを検知することが可能になる。
【0025】
図12を参照して、本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の第5の実施形態を説明する。尚、第1の実施形態及び第2の実施形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
第5の実施形態では、排出燃料希釈器6内に水素センサ32を設けた。
この第5の実施形態によれば、排出燃料希釈器6内に滞留しているパージ水素がスーパチャージャ22及び/又はファン24を運転することによって、希釈され低濃度になってゆくのを、水素センサ32によって検出することができる。従って排出燃料希釈器6内の水素の濃度が所定の低濃度に達したら、スーパチャージャ22及び/又はファン24の運転を停止することができ、排出燃料希釈器6内の水素の濃度の管理がし易くなる。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、燃料電池の発電停止後も所定時間、燃料電池のカソードに空気の供給を継続するので、滞留室に滞留する水素は次第に希釈されて排出される。
【0027】
請求項2に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、燃料電池スタックの発電を停止するときは、燃料電池スタックの発電を停止するときは、送風手段によるカソード排気の希釈器への流入を停止し、換気用空気の供給を行い、逃がし弁を開くことで、滞留室内の滞留水素は吸い出されて排気される。
【0028】
請求項3に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、万一逃がし弁が故障して開きっぱなしになっても、水素センサが逃がし弁に連通する通路に洩れた水素を検知するので、逃がし弁の故障が分かる。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料電池電気自動車における本発明に係る燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図である。
【図2】本発明の排出燃料希釈器のシステム図である。
【図3】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の第1の実施形態の要部システム図である。
【図4】スーパチャージャを所定期間運転する場合の模式図である。
【図5】スーパチャージャの運転を所定期間運転する場合のタイムチャートである。
【図6】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の第2の実施形態の要部システム図である。
【図7】ファンを継続して運転する場合の模式図である。
【図8】ファンを継続して運転する場合のタイムチャートである。
【図9】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の第3の実施形態の要部システム図である。
【図10】スーパチャージャの運転を所定期間運転し、ファンを継続して運転する場合のタイムチャートである。
【図11】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の第4の実施形態の要部システム図である。
【図12】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の第5の実施形態の要部システム図である。
【符号の説明】
1 :燃料電池電気自動車(車両)
2 :燃料電池システムボックス
4 :燃料電池スタック
6 :排出燃料希釈器
10 :アノードドレーン配管
11 :加湿器ドレーン配管
14 :カソードオフガス配管
17 :穴部
20 :入口部
22 :スーパチャージャ(送風手段)
23 :換気用配管
24 :ファン(換気手段)
25 :カソード出口
26 :スタック換気出口
28 :配管
29 :逃がし弁
30 :イジェクタ
30a :スロート部
Claims (3)
- 空気と水素ガスをそれぞれ供給されて発電する燃料電池からパージされ、滞留室に滞留された水素ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、
前記燃料電池の発電停止後も所定時間、前記燃料電池のカソードに空気を供給することで前記滞留室に滞留する水素を排出する、
ことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。 - 空気と水素ガスをそれぞれ供給されて発電する燃料電池からパージされ、滞留室に滞留された水素ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に大気に排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、
前記滞留室の上部に水素逃がし弁を設け、
前記燃料電池の発電停止時に、前記水素逃がし弁を開放し、この逃がし弁に連通する通路に前記燃料電池の換気用空気の供給を行うことで前記滞留室に滞留する水素を排出する、
ことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。 - 前記逃がし弁に連通する通路の下流に水素センサを設け、前記燃料電池の発電中に前記逃がし弁の故障の有無を検出することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
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