JP2004356017A - 燃料電池プラント - Google Patents
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Abstract
【課題】システムの効率を維持しつつ、可燃性ガスのパージを行うことができる燃料電池プラントを提供する。
【解決手段】スタック２と、スタック２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置３と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置４を備える。また、スタック２と、燃料ガス供給装置３と、酸化剤ガス供給装置４のうち少なくともスタック２を収納するパッケージ６と、パッケージ６の内部空間を換気する換気ファン７と、燃料極側からパージされたガスをパッケージ６内に放出するパージ手段を備える。パージ手段には、燃料極側からパージされたガスをパッケージ６内に分散するパージガス分散配管４３を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】スタック２と、スタック２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置３と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置４を備える。また、スタック２と、燃料ガス供給装置３と、酸化剤ガス供給装置４のうち少なくともスタック２を収納するパッケージ６と、パッケージ６の内部空間を換気する換気ファン７と、燃料極側からパージされたガスをパッケージ６内に放出するパージ手段を備える。パージ手段には、燃料極側からパージされたガスをパッケージ６内に分散するパージガス分散配管４３を備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池プラントに関する。特に、燃料電池システムから放出される燃料ガスの処理手段の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セル積層体、これに反応ガスを供給・排出する反応ガス配管、電池収納容器、および雰囲気ガス系統とからなる燃料電池設備が知られている。このような燃料電池設備において、該収納容器内、もしくは、雰囲気ガス系統に可燃性ガス処理装置を設置することにより、セル積層体もしくは反応ガス配管から収納容器内部に流出した可燃性ガスを除去している（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００３】
また、燃料電池本体と、その周辺要素を、パッケージの内部に収容して成り、かつ、パッケージ内の内気を外部に排気し、外気をパッケージ内に取り込む換気手段を備えて構成されるパッケージ型の燃料電池発電プラントが知られている。さらに、パッケージの排気部、またはその付近に設けられ、燃料電池本体とその周辺要素からパッケージ内へ漏洩する可燃性ガスを検出する可燃性ガス漏洩検出手段を備え、可燃性ガス漏洩検出手段からの可燃性ガス検知信号を基に、パッケージの換気風量を増加させるように制御している（例えば、特許文献２、参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特公平７−６６８２５号公報
【特許文献２】
特開平８−３１４３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
特公平７−６６８２５号公報には、可燃性ガス処理装置として、燃焼機、触媒燃焼器、水素貯蔵合金などが示されているが、これらを追加した場合、システム全体が複雑になり、部品点数も多くなるという問題がある。また、特に車輌への応用で使われる、比較的運転温度の低い、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池の場合に、燃焼器、触媒燃焼器を用いると、これらの温度を高く保つ必要があるため、システム全体の効率の悪化が避けられない。また、水素貯蔵合金は、一般的に重量が大きく、車輌応用などでは効率上不利になる。
【０００６】
また、特開平８−３１４３６号公報においては、可燃性ガスが十分に低い濃度となるように換気流量を決めているが、燃料ガスの排気口が決まっている場合などには、パッケージ内での可燃性ガスの濃度に偏りが生じる。このため、その分、換気流量を大きくする必要が生じて、換気ファンの回転速度を大きく設定する必要があり、システム全体としての効率が悪化するという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、システムの効率を維持しつつ、可燃性ガスの処理を行うことができる燃料電池プラントを提供することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備える。また、前記燃料電池と、前記燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、前記パッケージ手段の内部空間を換気する換気手段と、を備える。さらに、前記燃料電池の燃料極側からパージしたガスを前記パッケージ手段内に放出するパージ手段を備え、前記パージ手段には、前記燃料電池の燃料極側からパージしたガスを前記パッケージ内に分散する分散手段を備える。
【０００９】
【作用及び効果】
パージ手段に、燃料電池の燃料極側からパージしたガスをパッケージ内に分散する分散手段を備える。これにより、パッケージ内でのパージされたガスの偏りが減少し、その分換気手段の出力を低下させて消費電力を低下させることができ、システム全体の効率を向上することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池プラントの構成を、図１を用いて説明する。ここでは、車輌の駆動源として搭載される燃料電池システム１を備えた燃料電池プラントについて説明する。
【００１１】
燃料電池システム１として、燃料電池スタック（以下、スタック）２と、これに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置３と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置４と、を備える。燃料ガス供給手段３には、燃料ガス、例えば高圧水素の貯蔵手段である燃料タンク５を接続し、遮断弁５ａを介して水素ガスの供給を受ける。燃料ガス供給装置３において、図示しない圧力調整弁等により設計された圧力まで減圧してから、水素ガスをスタック２に供給する。酸化剤ガス供給装置４は、例えば図示しないブロア等から構成され、コントローラ１０からの要求出力に応じて、十分な量の酸素を含む空気をスタック２に供給する。
【００１２】
さらに、燃料電池システム１には、燃料ガスの循環ライン４０を備える。循環ライン４０には循環ポンプ４１を備え、これにより、スタック２の燃料極の出口から排出される残燃料をスタック２の燃料極の入口に再投入する。また、この循環ライン４０には、空気極側から燃料極側に浸透してくる窒素等の濃度が上がってきた場合に、燃料ガスと窒素等の混合気を放出するためのパージ手段を備える。
【００１３】
ここではパージ手段として、パージ弁４２とパージガス分散配管４３を備える。循環ライン４０内の混合気をパージするか否かを選択するパージ弁４２の出口側に、パージガス分散配管４３を接続する。パージガス分散配管４３としては、直線状の配管を用い、接続部４３ａにおいてパージ弁４２の出口側と接続する。ここでは、パージ弁４２の出口側との接続部４３ａを、パージガス分散配管４３の軸方向中央部近傍に構成する。このように構成することで、パージ弁４２を開いた際に放出される燃料ガスを含むパージガスは、パージガス分散配管４３の両端から後述するパッケージ６内に分散、排出される。このように、パッケージ６内にパージガスが放出される部分、ここではパージガス分散配管４３の両端をパージガス出口４４とする。なお、接続部４３ａをパージガス分散配管４３の軸方向中央部近傍とすることで、パージ手段内での圧損は、パージガス分散配管４３の両端から排出されるパージガスで概略同じとすることができる。
【００１４】
上述したような燃料電池システム１をパッケージ６に収納する。パッケージ６には、換気ファン７と外気排出口８を備える。換気ファン７と外気排出口８を、スタック２およびパージガス出口４４を挟んで構成する。ここでは、換気ファン７と外気排出口８を、パッケージ６の対向する面に構成する。換気ファン７が回転することで、外気がパッケージ６内に導入される。パージ弁４２から排出された燃料ガスを含むパージガスは、パージガス分散配管４３を通過する際に分岐された上、換気ガスの流れ方向に垂直にパッケージ６内に放出される。パッケージ６内で、パージガスは換気ファン７により導入された換気ガスと混合・希釈され、パッケージ６内を通って外気排出口８から排出される。
【００１５】
なお、ここでは、燃料タンク５をパッケージ６の外側に配置したが、配管等から燃料ガスが漏れ出る恐れがある場合等には、パッケージ６内に配置してもよい。また、レイアウト上の制約によっては、酸化剤ガスの供給系、例えば、酸化剤ガス供給装置４等をパッケージ６の外部に配置してもよい。さらに、燃料ガス供給装置３を含む燃料系からの燃料漏れの可能性がない場合等には、これをパッケージ６の外部に配置してもよい。
【００１６】
さらにパッケージ６の外側には、スタック２とリレー２０を介して電気的に接続する駆動モータ／インバータ３０を備える。駆動モータ／インバータ３０には、後述するコントローラ１０からのトルク指令値に応じて駆動トルクを発生するように、リレー２０を通して燃料電池システム１から電力が供給される。
【００１７】
また、このような燃料電池システム１およびその周辺機器を制御するためのコントローラ１０を備える。コントローラ１０には、車輌状態検出手段１１、運転操作検出手段１２、目標出力算出手段１３、モータ制御手段１４、燃料電池システム制御手段１５を備える。車輌状態検出手段１１では、図示しない車速センサからのパルス信号と、図示しない基準タイマから車速を求める。運転操作検出手段１２では、ドライバのアクセルペダル操作によるアクセルペダル開度信号を検出する。
【００１８】
目標出力算出手段１３には、車速とアクセルペダル開度から二次元マップを参照する等により目標駆動力を算出する駆動力算出部を備える。また、目標駆動力と、車輌質量、タイヤ半径、減速ギア比等のパラメータから目標とするモータトルクを算出するモータトルク指令値算出部を備える。つまり、目標出力算出手段１３では、その時々の車速、アクセルペダル開度からモータトルク指令値を算出する。このモータトルク指令値をモータ制御手段１４に伝え、モータ制御手段１４では、この指令値通りにモータがトルクを発生するように駆動モータ／インバータ３０を制御する。
【００１９】
また、目標出力算出手段１３において、燃料電池システム１への要求出力指令値を算出する。要求出力指令値は、例えば、モータトルク指令値を実現するために必要な駆動モータ／インバータ３０での消費電力を、予め測定された駆動モータ／インバータ３０での損失等を考慮して算出し、これに、車輌や燃料電池システム１で消費する補機電力を加算することにより算出する。算出された要求出力指令値は、燃料電池システム制御手段１５に伝えられる。燃料電池システム制御手段１５では、指令値通りの出力をスタック２から正常に取り出せるように、予め定められたロジックに従って、パージ弁４２、燃料ガス供給装置３内に含まれるアクチュエータ、酸化剤ガス供給装置４に含まれるアクチュエータを制御する。
【００２０】
例えば、運転中に、循環ライン４０内の窒素濃度が上昇してくると、パージ弁４２を開き、窒素ガスを含む燃料ガスを放出することで、燃料極における窒素濃度が所定の濃度以下に保たれるように制御する。例えば、循環ライン４０に水素濃度センサ４５を設置し、その濃度に応じてパージ弁４２の開閉の制御を行う。または、予め実験を行い、運転時間に応じて開閉をタイマ制御してもよい。
【００２１】
また、パッケージ６内には燃料濃度センサ９、ここでは水素濃度センサを備える。これによりパッケージ６内の水素濃度を監視し、パッケージ６内が所定の水素濃度以上とならないように燃料電池システム制御手段１５において換気ファン７の制御してもよい。なお、パージ弁４２の開閉のタイミングに応じて換気ファン７を制御してもよい。
【００２２】
次に、上述したように燃料ガスのパージを行った場合のパッケージ６内のガス流れについて説明する。
【００２３】
パージ手段としてパージガス分散配管４３を用い、パージガスがパッケージ６内に排出されるパージガス出口４４を二箇所（４４ａ、４４ｂ）構成する。ここでは、パージガス出口４４からは、換気ガスの流れ方向に対して略垂直方向にパージガスが放出される。このように構成することで、パージガス出口４４から放出されたパージガスは、パッケージ６内における換気ガスの流れの断面について分散して放出されるので、パッケージ６内の燃料ガス濃度の偏りを抑制することができる。これにより、換気ガス流量においては、パッケージ６内の濃度勾配を考慮して流量を大きく設定する分を抑制することができる。その結果、無駄に換気ファン７の回転数を上げる必要がなくなり、効率のよい運転を行うことができる。
【００２４】
なお、パージガス分散配管４３の途中にパージガス排出用の複数の穴を設けてパージガス出口４４をさらに多く形成してもよい。これにより、燃料ガスの分散効果をさらに高めることができる。
【００２５】
また、ここではパージガス分散配管４３を直線状に形成したがこの限りではない。例えば、図２に示すように、パージガス分散配管４３をたこ足状に構成する。ここでは、パージ弁４２の出口側で四つに分岐するようにパージガス分散配管４３を構成する。このように、パージガスがパッケージ６内に排出されるパージガス出口４４を多く構成することにより、燃料ガスの分散効果をさらに高めることができる。
【００２６】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２７】
燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用いて発電を行うスタック２と、スタック２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置３と、スタック２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置４を備える。また、スタック２と、燃料ガス供給装置３と、酸化剤ガス供給装置４のうち少なくともスタック２を収納するパッケージ６と、パッケージ６内の内部空間を換気する換気ファン７を備える。さらに、スタック２の燃料極側からパージされたガスをパッケージ６内に放出するパージ手段と、を備える。パージ手段は、スタック２の燃料極側からパージされたガスをパッケージ６内に分散する分散手段を有する。これにより、パッケージ６内に放出されたガスの偏りが減少するので、その分、換気ファン７の回転速度を低下させてファンによる消費電力を抑制することができ、システム全体の効率を向上することができる。よって、システムの効率を維持しつつ、可燃性ガスを排出することができる燃料電池プラントを提供することができる。
【００２８】
また、分散手段として、パージされたガスをパッケージ６内に放出する複数のパージガス出口４４を備える。ここでは、パージガス分散配管４３を備えることにより複数のパージガス出口４４を備える。これにより、パージされたガスをパッケージ６内に放出・分散することができるので、換気ファン７の回転速度を抑制して燃料電池システム１の効率を向上することができる。例えば、分岐した配管を用いることによりパージガス出口４４を複数形成する。これにより、低コストでパージガスの偏りを抑制することができる。
【００２９】
また、パッケージ６内の換気ガスの流れに対して垂直に、スタック２の燃料極側からパージされたパージガスを放出する。これにより、パッケージ６内で空間的に効果的にパージガス、ひいては燃料ガスを分散することができる。
【００３０】
ここでは、接続部４３ａをパージガス分散配管４３の軸方向中央部近傍に構成する。これにより、パージガスのパージ手段内での圧損を概略同じとし、パージガス出口４４ａ、４４ｂから排出されるパージガス流量を均一化する。このように、パージガスを換気ガスの流れに対して垂直方向にかつ同じ断面上に放出し、パージガス出口４４ａ、４４ｂから放出されるパージガス流量を概略同じとするので、換気ガス流れの断面についてさらに燃料ガス濃度を均一化することができる。
【００３１】
次に、第２の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池プラントの概略を図３に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３２】
ここでは、換気ファン７を二つ（７ａ、７ｂ）備える。また、外気排出口８を二つ（８ａ、８ｂ）備える。換気ファン７ａ、７ｂと外気排出口８ａ、８ｂを、スタック２およびパージガス出口４４を間に挟んで構成する。
【００３３】
また、パージガス分散配管４３を、パッケージ６内の換気ガス流れの断面について略中央部近傍に配置する。このとき、例えば、レイアウト上の制約により、パージ弁４２の出口が換気ガスの流れの断面について中央部近傍にない場合には、接続部４３ａを必ずしもパージガス分散配管４３の中央部近傍とする必要はない。図３においては、接続部４３ａを、パージガス出口４４ｂ側に偏って形成する。これにより、パージガス出口４４ａと換気ファン７ａ、および、パージガス出口４４ｂと換気ファン７ｂとの距離を概略同じとする。また、パージガス出口４４ａと外気排出口８ａと、パージガス出口４４ｂと外気排出口８ｂとの距離を概略同じとする。
【００３４】
さらに、パージガス出口４４ａ、４４ｂからほぼ等しい量のパージガスが排出されるように、パージガス分散配管４３の形状を設定する。例えば、環境ライン４０内の圧力とパッケージ６内の圧力と、パージガス分散配管４３の管径、パージ弁４２からパージガス出口４４ａ、４４ｂまでの距離を考慮して、パージガス分散配管４３の形状を設定する。ここでは、パージガス分散配管４３の端部に相当するパージガス出口４４ａ、４４ｂの形状を設定する。例えば、パージガス出口４４ｂの断面積をパージガス出口４４ａより小さく設計する。
【００３５】
なお、図４に示すように、パージガス分散配管４３内に圧力損失等価手段を備えても良い。ここでは、パージガス分散配管４３の配管内面に環状の部材を設置することによりオリフィス４６を構成する。これにより、パージガス分散配管４３の形状のみでパージガス出口４４ａとパージガス出口４４ｂから排出されるパージガスの圧力損失を等しく出来ない場合にも、パージガス出口４４ａ、４４ｂから排出されるパージガス流量を概略同じとすることができる。
【００３６】
次に、パッケージ６内の換気ガスおよびパージガスの流れを、図５、図６を用いて説明する。なお、ここでは供給装置３、４、および、スタック２への水素ガス、燃料ガスの供給配管等は省略する。また、図６における点線で示された燃料ガス濃度の時間変化は比較例であり、図５において外気排出口８ｂから排出されるガスの燃料ガス濃度の時間変化に相当する。
【００３７】
図５に、分散手段、ここでは複数のパージガス出口４４を備えたパージガス分散配管４３を用いない場合のガスの流れを示す。つまり、図５に示すように、パージ弁４２の出口が、パッケージ６内にパージガスを放出するパージガス出口４４となる。
【００３８】
ここでは、レイアウト上等の制約により、図３と同様にパージ弁４２の出口を偏って形成する場合を示す。これにより、パージガス出口４４と換気ファン７ａまでの距離と、換気ファン７ｂまでの距離、および、パージガス出口４４と外気排出口８ａまでの距離と、外気排出口８ｂまでの距離とが異なる。ここではパージガス出口４４と換気ファン７ｂまでの距離、および、パージガス出口４４と外気排出口８ｂまでの距離が比較的小さくなっている。
【００３９】
これにより、パージ弁４２の出口から排出された燃料ガスを含むパージガスは、換気ファン７ｂからパッケージ６内に吸入され、外気排出口８ｂから排出される換気ガスの流れの影響を大きく受ける。例えば、外気排出口８ａ、８ｂそれぞれの外側に水素濃度センサを配置した場合には、図５に示すように外気排出口８ｂの外側で検出される水素濃度のほうが、外気排出口８ａの外側で検出される水素濃度より高くなる。つまり、パッケージ６内では、換気ファン７ｂおよび外気排出口８ｂが配置されている側が、換気ファン７ａおよび外気排出口８ａが配置されている側よりも燃料ガス濃度が高くなる。このように燃料ガス濃度に偏りがある場合には、高いほうの濃度が所定値以下となるように換気ガスの流量を設定する必要があり、これによりシステムの効率が低下する。
【００４０】
これに対して、本実施形態では、図６に示すようにパージ弁４２の出口にパージガス分散配管４３を接続することにより、複数、ここでは二つのパージガス出口４４ａ、４４ｂを構成する。このとき、換気ファン７ａ、パージガス出口４４ａ、外気排出口８ａ間の間隔と、換気ファン７ｂ、パージガス出口４４ｂ、外気排出口８ｂ間の間隔とが、ほぼ等しくなっている。よって、それぞれの換気ファン７ａ、７ｂから取り込んだ換気ガスによる影響がパージガス出口４４ａ、４４ｂ近傍で同じ程度となる。また、上述したように、パージ弁４２を介してパージガス出口４４ａから排出されるパージガスと、パージガス出口４４ｂから排出されるパージガスとのパージガス分散配管４３内を流通する際の圧損を、概略同じとしている。これにより、パージガス出口４４ａ、４４ｂから排出されるパージガス量は概略等しくなる。
【００４１】
つまり、パージガス出口４４ａ、４４ｂから概略同量のパージガスが放出され、また、放出されたパージガスは略同程度の換気ガスの影響を受ける。これにより、換気ファン７ａから外気排出口８ａにかけての流れと、換気ファン７ｂから外気排出口８ａにかけての流れにおける燃料ガス分布がほぼ同等となる。つまり、図６に示すように、外気排出口８ａ、８ｂの外側の水素濃度は、外気排出口８ａ側と外気排出口８ｂ側とでほぼ等しくなる。このように、パージされた燃料ガスの濃度が平均化されるので、換気ガスの流量を同一とした際に、図５に示す構成に比較して、水素濃度の最大値を低減することができる。言い換えれば、換気流量を抑制しても、水素ガス濃度を規定値以下に保つことができる。よって、換気ファン７の回転速度を抑制することができるので、システム全体の効率を向上することができる。
【００４２】
なお、図２に示すように、パージガス分散配管４３をたこ足状に形成してもよい。このときには、各パージガス出口４４から排出されるパージガスが同量となるように、パージガス分散配管４３の形状を設計する。または、パッケージ６内の換気ガス流れの軸に対して、流れの断面方向に対称にパージガスが放出されるように、パージガス分散配管４３の形状を設計する。
【００４３】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４４】
パージ手段内での圧損を、それぞれのパージガス出口４４から放出されるガスの間で略等しくする。これにより、パージガス出口４４からのパージガスの放出されやすさをパージガス出口４４間で等しくすることができる。このとき、パージガス出口４４ａ、４４ｂそれぞれの近傍に流れる換気ガスの状態を同等とする。ここでは、換気ガスの流れの軸に対して対称の位置にパージガス出口４４ａ、４４ｂを配置する。これにより、各パージガス出口４４から放出されるパージガスの流量を概略同じとすることができ、より効果的に空間的に燃料ガスを分散することができる。
【００４５】
次に、第３の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池プラントの概略を、第２の実施形態と同様とする。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４６】
パッケージ６内を流れるパージガスの状態を図７に示す。なお、燃料ガス供給装置３および酸化剤ガス供給装置４、燃料ガスと水素ガスの供給配管は、第２の実施形態と同様とし、図７においては省略する。なお、点線で示された燃料ガス濃度の時間変化は比較例であり、図５において外気排出口８ｂから排出されるガスの燃料ガス濃度の時間変化に相当する。
【００４７】
パージガス分散配管４３を換気ガスの流れの断面に対して角度を持って配置する。これにより、換気ファン７から外気排出口８に向かう換気ガスの流れ方向に対して、パージガス分散配管４３の一方の端部であるパージガス出口４４ａを上流側に、もう一方の端部であるパージガス出口４４ｂを下流側に配置する。
【００４８】
このように形成することで、パージ弁４２が開となり、パージガスが放出される際に、パージガス出口４４ｂからパッケージ６内に放出された燃料ガスが先に外気排出口８ｂに到達し、その後で、パージガス出口４４ａから排出されたパージガスが外気排出口８ａに到達する。つまり、パージガス中の燃料ガスが、換気ガスの流れの方向について分散して放出される。
【００４９】
その結果、図７に示すように、外気排出口８ｂから排出される換気ガス中の燃料ガスは、第２実施形態のように換気ガスの流れについて同断面上にパージガス出口４４ａ、４４ｂを形成した時に比べて、速い段階で検出される。一方、外気排出口８ａから排出される換気ガス中の燃料ガスは、換気ガスの流れの同断面上にパージガス出口４４ａ、４４ｂを形成した時に比べて、遅れて検出される。つまり、換気ガスの流れ方向に沿って分散してパージガス出口４４を構成することで、燃料ガスを時間的にずらして放出した場合と同様に分散することができ、パッケージ６内の燃料ガス濃度勾配を抑制することができる。
【００５０】
なお、この場合にも、パージ手段内での圧損を、パージガス出口４４ａ、４４ｂから放出されるパージガスの間で略同じとなるようにする。これにより、パージガス出口４４ａ、４４ｂから放出されるパージガス流量を均一化することができる。さらに、パージガス出口４４ａ、４４ｂ近傍の換気ガスの流速が異なる場合には、パージガス出口４４ａ、４４ｂ近傍の圧力差を考慮して、パージガス分散配管４３を形成する。これにより、さらにパージガス出口４４ａ、４４ｂから放出されるパージガス流量を均一化して、パッケージ６内の燃料ガス濃度を均一化することができる。
【００５１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５２】
複数のパージガス出口４４をパッケージ６内の換気ガスの流れ方向について分散して構成する。これにより、パッケージ６内で燃料ガスを換気ガスの流れ方向について分散して放出することができるので、パッケージ６内の燃料ガス濃度を均一化することができる。また、燃料ガス濃度の最大値を抑制することができる。これは、特にパージ弁４２をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動する際に有効となる。
【００５３】
また、パージ手段内での圧損を、それぞれのパージガス出口４４ａ、４４ｂから放出されるガスの間で略等しくする。これにより、パッケージ６内の換気ガスの流れ方向についての燃料ガスの濃度を、さらに均一化することができる。
【００５４】
次に、第４の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池プラントの概略を図８に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５５】
循環ライン４０から燃料ガスをパージするか否かを選択するパージ弁４２をパージガス出口４４と同数備える。ここでは、循環ライン４０に入口側で接続するパージ弁４２を二つ（４２ａ、４２ｂ）備える。パージ弁４２ａ、４２ｂの出口側をパージガス出口４４とし、ここからパッケージ６内にパージガスを放出する。例えば、パージ弁４２ａ、４２ｂのそれぞれのパージガス出口４４を換気ガスの流れの中心に対して対称の位置に備える。または、換気ガスの流れの断面上で、十分な流れが存在し、かつ、離れた位置に備えてもよい。これにより、パージガスを、パッケージ６内で空間的に分散して放出することができる。
【００５６】
このような構成の燃料電池システム１において、パージ弁４２ａ、４２ｂを時間差で開とする。ここでは、パージ弁４２ａが開の場合にはパージ弁４２ｂを閉とし、パージ弁４２ａを閉としたらパージ弁４２ｂを開とする。これにより、パージガスをパッケージ６内で時間的に分散して放出することができる。言い換えれば、パッケージ６内の換気ガスの流れ方向について、パージガスを分散して放出することができる。
【００５７】
なお、パージ弁４２ａ、４２ｂの出口に、さらにパージガス分散配管４３を備えても良い。または、図１においてパージガス分散配管４３のパージガス出口４４ａ、４４ｂの近傍にパージ弁４２ａ、４２ｂをそれぞれ備えてもよい。
【００５８】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５９】
パージガス出口４４毎に、スタック２の燃料極からパージされたガスをパッケージ６内に放出するか否かを選択するパージ選択手段を備える。ここでは、パージ弁４２を備える。このように空間的に分散して構成される各パージガス出口４４にパージ弁４２を備え、パージ弁４２の開閉のタイミングを制御することで、パージガスを空間的・時間的に分散して放出することができる。これにより、パッケージ６内でパージガスをさらに分散して放出することができ、燃料ガス濃度を均一化することができるので、換気ファン７の回転速度を抑制することができ、システムの効率をさらに抑制することができる。
【００６０】
次に、第５の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池プラントの概略を図９に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６１】
ここでは、パージ弁４２の出口側をパージガス出口４４とする。パージ手段として、パージ弁４２と、パージガス出口４４の換気ガスの流れ方向についての下流側に配置した分散手段と、を備える。ここでは、分散手段として板状のパージガス分散パネル４８を備える。また、パージガスが換気ガスの流れに対向して放出されるようにパージガス出口４４を構成し、パージガス出口４４を囲むようにパージガス分散パネル４８を構成する。言い換えれば、板状のパージガス分散パネル４８の中央部近傍をパージ弁４２の出口側が貫通するように構成する。
【００６２】
このように構成することで、図１０に示すように、パッケージ６内に放出された燃料ガスは、換気ガスの流れに乗ってパージガス分散パネル４８により四方に分散され、効果的に拡散される。
【００６３】
なお、ここでは、パージガス分散パネル４８の中央部にパージガス出口４４を配置したがこの限りではない。例えば、第２の実施形態と同様に、パージガス出口４４がパッケージ６内の換気ガス流れの断面中央部近傍に位置しない場合には、燃料ガスが換気ガス流れの断面にパージガスが均等に分散されるように、パージガス分散パネル４８の設置位置を設定する。
【００６４】
例えば、図１１に示すように、換気ファン７、外気排出口８を二つずつ備え、パージガス出口４４を換気ファン７ｂおよび外気排出口８ｂ側に偏って形成する場合を考える。このような場合には、パージガス分散パネル４８により、燃料ガスが換気ファン７ａ、外気排出口８ａ側に拡散しやすいように構成する。その結果、図１１に示すように、外気排出口８ａ、８ｂから排出されるガスの水素濃度を均一化することができる。
【００６５】
また、パージガス分散パネル４８として平板形状のものを用いているがこの限りではない。例えば、図１２（ａ）に示すように、仕切り板４８ａを形成してもよい。仕切り板４８ａは、換気ガスの上流側を向く面に放射状に形成する。ここでは、パージガス出口４４を中心とした放射状に形成する。仕切り板４８ａを設けることで、換気ガスおよびパージガスの流れの方向を制御することができるので、確実に拡散することができる。この他にも、パージガス分散パネル４８に山谷の折り目を形成することによってもパージガスの流れの方向を制御することができる。または、図１２（ｂ）に示すように、パージガス分散パネル４８に穴４８ｂを形成してもよい。これにより、さらに効率的に燃料ガスを分散することができる。例えば、パージガス分散パネル４８の面に均等に穴４８ｂを形成することで、パージガス分散パネル４８によって遮られる空間にも燃料ガスを分散することができる。その結果、広い範囲に燃料ガスを分散することができるので、パッケージ６内の燃料ガスの濃度勾配を低減することができる。また、パージガス分散パネル４８をスポンジ状の材質で構成することによっても、パージガス分散パネル４８の後流に燃料ガスを分散することができる。
【００６６】
次に本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６７】
パッケージ６内の換気ガスの流れに対して、パージガス出口４４の下流側に、分散手段を備える。ここではパージガス分散パネル４８を備える。このように、パージガス出口４４付近に、板状／スポンジ状の分散手段を、換気ガス流れについての下流側に設置する構成としたので、レイアウト上の制約から複数のパージガス出口４４を設けることが出来ない場合にもパージガスを分散させることが可能となる。
【００６８】
なお、ここでは換気ファン７から外気を取り込んで、外気排出口８から排出する構成としたがこの限りではない。例えば、外気排出口８の替わりに外気吸入口を供え、換気ファン７によりパッケージ６内のガスを外に押し出す構成としてもよい。
【００６９】
また、パッケージ６の外側に図示しない燃焼器等の水素処理装置を備え、水素処理を行ってから車輌外部に換気ガスを排出する構成としてもよい。
【００７０】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる燃料電池システムに関する別の例の構成図である。
【図３】第２の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図４】第２の実施形態に用いるパージガス分散配管の構成の例である。
【図５】従来におけるパッケージ内の燃料ガスの流れを示す図である。
【図６】第２の実施形態におけるパッケージ内の燃料ガスの流れを示す図である。
【図７】第３の実施形態におけるパッケージ内の燃料ガスの流れを示す図である。
【図８】第４の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図９】第５の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図１０】第５の実施形態における燃料ガスの分散状態を示す図である。
【図１１】第５の実施形態における燃料ガスの流れの例を示す図である。
【図１２】第５の実施形態におけるパージガス分散パネルの形状の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 燃料ガス供給装置
４ 酸化剤ガス供給装置
６ パッケージ
７ 換気ファン（換気手段）
４２ パージ弁
４３ パージガス分散配管（分散手段）
４４ パージガス出口
４８ パージガス分散パネル（分散手段）
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池プラントに関する。特に、燃料電池システムから放出される燃料ガスの処理手段の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セル積層体、これに反応ガスを供給・排出する反応ガス配管、電池収納容器、および雰囲気ガス系統とからなる燃料電池設備が知られている。このような燃料電池設備において、該収納容器内、もしくは、雰囲気ガス系統に可燃性ガス処理装置を設置することにより、セル積層体もしくは反応ガス配管から収納容器内部に流出した可燃性ガスを除去している（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００３】
また、燃料電池本体と、その周辺要素を、パッケージの内部に収容して成り、かつ、パッケージ内の内気を外部に排気し、外気をパッケージ内に取り込む換気手段を備えて構成されるパッケージ型の燃料電池発電プラントが知られている。さらに、パッケージの排気部、またはその付近に設けられ、燃料電池本体とその周辺要素からパッケージ内へ漏洩する可燃性ガスを検出する可燃性ガス漏洩検出手段を備え、可燃性ガス漏洩検出手段からの可燃性ガス検知信号を基に、パッケージの換気風量を増加させるように制御している（例えば、特許文献２、参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特公平７−６６８２５号公報
【特許文献２】
特開平８−３１４３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
特公平７−６６８２５号公報には、可燃性ガス処理装置として、燃焼機、触媒燃焼器、水素貯蔵合金などが示されているが、これらを追加した場合、システム全体が複雑になり、部品点数も多くなるという問題がある。また、特に車輌への応用で使われる、比較的運転温度の低い、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池の場合に、燃焼器、触媒燃焼器を用いると、これらの温度を高く保つ必要があるため、システム全体の効率の悪化が避けられない。また、水素貯蔵合金は、一般的に重量が大きく、車輌応用などでは効率上不利になる。
【０００６】
また、特開平８−３１４３６号公報においては、可燃性ガスが十分に低い濃度となるように換気流量を決めているが、燃料ガスの排気口が決まっている場合などには、パッケージ内での可燃性ガスの濃度に偏りが生じる。このため、その分、換気流量を大きくする必要が生じて、換気ファンの回転速度を大きく設定する必要があり、システム全体としての効率が悪化するという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、システムの効率を維持しつつ、可燃性ガスの処理を行うことができる燃料電池プラントを提供することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備える。また、前記燃料電池と、前記燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、前記パッケージ手段の内部空間を換気する換気手段と、を備える。さらに、前記燃料電池の燃料極側からパージしたガスを前記パッケージ手段内に放出するパージ手段を備え、前記パージ手段には、前記燃料電池の燃料極側からパージしたガスを前記パッケージ内に分散する分散手段を備える。
【０００９】
【作用及び効果】
パージ手段に、燃料電池の燃料極側からパージしたガスをパッケージ内に分散する分散手段を備える。これにより、パッケージ内でのパージされたガスの偏りが減少し、その分換気手段の出力を低下させて消費電力を低下させることができ、システム全体の効率を向上することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池プラントの構成を、図１を用いて説明する。ここでは、車輌の駆動源として搭載される燃料電池システム１を備えた燃料電池プラントについて説明する。
【００１１】
燃料電池システム１として、燃料電池スタック（以下、スタック）２と、これに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置３と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置４と、を備える。燃料ガス供給手段３には、燃料ガス、例えば高圧水素の貯蔵手段である燃料タンク５を接続し、遮断弁５ａを介して水素ガスの供給を受ける。燃料ガス供給装置３において、図示しない圧力調整弁等により設計された圧力まで減圧してから、水素ガスをスタック２に供給する。酸化剤ガス供給装置４は、例えば図示しないブロア等から構成され、コントローラ１０からの要求出力に応じて、十分な量の酸素を含む空気をスタック２に供給する。
【００１２】
さらに、燃料電池システム１には、燃料ガスの循環ライン４０を備える。循環ライン４０には循環ポンプ４１を備え、これにより、スタック２の燃料極の出口から排出される残燃料をスタック２の燃料極の入口に再投入する。また、この循環ライン４０には、空気極側から燃料極側に浸透してくる窒素等の濃度が上がってきた場合に、燃料ガスと窒素等の混合気を放出するためのパージ手段を備える。
【００１３】
ここではパージ手段として、パージ弁４２とパージガス分散配管４３を備える。循環ライン４０内の混合気をパージするか否かを選択するパージ弁４２の出口側に、パージガス分散配管４３を接続する。パージガス分散配管４３としては、直線状の配管を用い、接続部４３ａにおいてパージ弁４２の出口側と接続する。ここでは、パージ弁４２の出口側との接続部４３ａを、パージガス分散配管４３の軸方向中央部近傍に構成する。このように構成することで、パージ弁４２を開いた際に放出される燃料ガスを含むパージガスは、パージガス分散配管４３の両端から後述するパッケージ６内に分散、排出される。このように、パッケージ６内にパージガスが放出される部分、ここではパージガス分散配管４３の両端をパージガス出口４４とする。なお、接続部４３ａをパージガス分散配管４３の軸方向中央部近傍とすることで、パージ手段内での圧損は、パージガス分散配管４３の両端から排出されるパージガスで概略同じとすることができる。
【００１４】
上述したような燃料電池システム１をパッケージ６に収納する。パッケージ６には、換気ファン７と外気排出口８を備える。換気ファン７と外気排出口８を、スタック２およびパージガス出口４４を挟んで構成する。ここでは、換気ファン７と外気排出口８を、パッケージ６の対向する面に構成する。換気ファン７が回転することで、外気がパッケージ６内に導入される。パージ弁４２から排出された燃料ガスを含むパージガスは、パージガス分散配管４３を通過する際に分岐された上、換気ガスの流れ方向に垂直にパッケージ６内に放出される。パッケージ６内で、パージガスは換気ファン７により導入された換気ガスと混合・希釈され、パッケージ６内を通って外気排出口８から排出される。
【００１５】
なお、ここでは、燃料タンク５をパッケージ６の外側に配置したが、配管等から燃料ガスが漏れ出る恐れがある場合等には、パッケージ６内に配置してもよい。また、レイアウト上の制約によっては、酸化剤ガスの供給系、例えば、酸化剤ガス供給装置４等をパッケージ６の外部に配置してもよい。さらに、燃料ガス供給装置３を含む燃料系からの燃料漏れの可能性がない場合等には、これをパッケージ６の外部に配置してもよい。
【００１６】
さらにパッケージ６の外側には、スタック２とリレー２０を介して電気的に接続する駆動モータ／インバータ３０を備える。駆動モータ／インバータ３０には、後述するコントローラ１０からのトルク指令値に応じて駆動トルクを発生するように、リレー２０を通して燃料電池システム１から電力が供給される。
【００１７】
また、このような燃料電池システム１およびその周辺機器を制御するためのコントローラ１０を備える。コントローラ１０には、車輌状態検出手段１１、運転操作検出手段１２、目標出力算出手段１３、モータ制御手段１４、燃料電池システム制御手段１５を備える。車輌状態検出手段１１では、図示しない車速センサからのパルス信号と、図示しない基準タイマから車速を求める。運転操作検出手段１２では、ドライバのアクセルペダル操作によるアクセルペダル開度信号を検出する。
【００１８】
目標出力算出手段１３には、車速とアクセルペダル開度から二次元マップを参照する等により目標駆動力を算出する駆動力算出部を備える。また、目標駆動力と、車輌質量、タイヤ半径、減速ギア比等のパラメータから目標とするモータトルクを算出するモータトルク指令値算出部を備える。つまり、目標出力算出手段１３では、その時々の車速、アクセルペダル開度からモータトルク指令値を算出する。このモータトルク指令値をモータ制御手段１４に伝え、モータ制御手段１４では、この指令値通りにモータがトルクを発生するように駆動モータ／インバータ３０を制御する。
【００１９】
また、目標出力算出手段１３において、燃料電池システム１への要求出力指令値を算出する。要求出力指令値は、例えば、モータトルク指令値を実現するために必要な駆動モータ／インバータ３０での消費電力を、予め測定された駆動モータ／インバータ３０での損失等を考慮して算出し、これに、車輌や燃料電池システム１で消費する補機電力を加算することにより算出する。算出された要求出力指令値は、燃料電池システム制御手段１５に伝えられる。燃料電池システム制御手段１５では、指令値通りの出力をスタック２から正常に取り出せるように、予め定められたロジックに従って、パージ弁４２、燃料ガス供給装置３内に含まれるアクチュエータ、酸化剤ガス供給装置４に含まれるアクチュエータを制御する。
【００２０】
例えば、運転中に、循環ライン４０内の窒素濃度が上昇してくると、パージ弁４２を開き、窒素ガスを含む燃料ガスを放出することで、燃料極における窒素濃度が所定の濃度以下に保たれるように制御する。例えば、循環ライン４０に水素濃度センサ４５を設置し、その濃度に応じてパージ弁４２の開閉の制御を行う。または、予め実験を行い、運転時間に応じて開閉をタイマ制御してもよい。
【００２１】
また、パッケージ６内には燃料濃度センサ９、ここでは水素濃度センサを備える。これによりパッケージ６内の水素濃度を監視し、パッケージ６内が所定の水素濃度以上とならないように燃料電池システム制御手段１５において換気ファン７の制御してもよい。なお、パージ弁４２の開閉のタイミングに応じて換気ファン７を制御してもよい。
【００２２】
次に、上述したように燃料ガスのパージを行った場合のパッケージ６内のガス流れについて説明する。
【００２３】
パージ手段としてパージガス分散配管４３を用い、パージガスがパッケージ６内に排出されるパージガス出口４４を二箇所（４４ａ、４４ｂ）構成する。ここでは、パージガス出口４４からは、換気ガスの流れ方向に対して略垂直方向にパージガスが放出される。このように構成することで、パージガス出口４４から放出されたパージガスは、パッケージ６内における換気ガスの流れの断面について分散して放出されるので、パッケージ６内の燃料ガス濃度の偏りを抑制することができる。これにより、換気ガス流量においては、パッケージ６内の濃度勾配を考慮して流量を大きく設定する分を抑制することができる。その結果、無駄に換気ファン７の回転数を上げる必要がなくなり、効率のよい運転を行うことができる。
【００２４】
なお、パージガス分散配管４３の途中にパージガス排出用の複数の穴を設けてパージガス出口４４をさらに多く形成してもよい。これにより、燃料ガスの分散効果をさらに高めることができる。
【００２５】
また、ここではパージガス分散配管４３を直線状に形成したがこの限りではない。例えば、図２に示すように、パージガス分散配管４３をたこ足状に構成する。ここでは、パージ弁４２の出口側で四つに分岐するようにパージガス分散配管４３を構成する。このように、パージガスがパッケージ６内に排出されるパージガス出口４４を多く構成することにより、燃料ガスの分散効果をさらに高めることができる。
【００２６】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２７】
燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用いて発電を行うスタック２と、スタック２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置３と、スタック２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置４を備える。また、スタック２と、燃料ガス供給装置３と、酸化剤ガス供給装置４のうち少なくともスタック２を収納するパッケージ６と、パッケージ６内の内部空間を換気する換気ファン７を備える。さらに、スタック２の燃料極側からパージされたガスをパッケージ６内に放出するパージ手段と、を備える。パージ手段は、スタック２の燃料極側からパージされたガスをパッケージ６内に分散する分散手段を有する。これにより、パッケージ６内に放出されたガスの偏りが減少するので、その分、換気ファン７の回転速度を低下させてファンによる消費電力を抑制することができ、システム全体の効率を向上することができる。よって、システムの効率を維持しつつ、可燃性ガスを排出することができる燃料電池プラントを提供することができる。
【００２８】
また、分散手段として、パージされたガスをパッケージ６内に放出する複数のパージガス出口４４を備える。ここでは、パージガス分散配管４３を備えることにより複数のパージガス出口４４を備える。これにより、パージされたガスをパッケージ６内に放出・分散することができるので、換気ファン７の回転速度を抑制して燃料電池システム１の効率を向上することができる。例えば、分岐した配管を用いることによりパージガス出口４４を複数形成する。これにより、低コストでパージガスの偏りを抑制することができる。
【００２９】
また、パッケージ６内の換気ガスの流れに対して垂直に、スタック２の燃料極側からパージされたパージガスを放出する。これにより、パッケージ６内で空間的に効果的にパージガス、ひいては燃料ガスを分散することができる。
【００３０】
ここでは、接続部４３ａをパージガス分散配管４３の軸方向中央部近傍に構成する。これにより、パージガスのパージ手段内での圧損を概略同じとし、パージガス出口４４ａ、４４ｂから排出されるパージガス流量を均一化する。このように、パージガスを換気ガスの流れに対して垂直方向にかつ同じ断面上に放出し、パージガス出口４４ａ、４４ｂから放出されるパージガス流量を概略同じとするので、換気ガス流れの断面についてさらに燃料ガス濃度を均一化することができる。
【００３１】
次に、第２の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池プラントの概略を図３に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３２】
ここでは、換気ファン７を二つ（７ａ、７ｂ）備える。また、外気排出口８を二つ（８ａ、８ｂ）備える。換気ファン７ａ、７ｂと外気排出口８ａ、８ｂを、スタック２およびパージガス出口４４を間に挟んで構成する。
【００３３】
また、パージガス分散配管４３を、パッケージ６内の換気ガス流れの断面について略中央部近傍に配置する。このとき、例えば、レイアウト上の制約により、パージ弁４２の出口が換気ガスの流れの断面について中央部近傍にない場合には、接続部４３ａを必ずしもパージガス分散配管４３の中央部近傍とする必要はない。図３においては、接続部４３ａを、パージガス出口４４ｂ側に偏って形成する。これにより、パージガス出口４４ａと換気ファン７ａ、および、パージガス出口４４ｂと換気ファン７ｂとの距離を概略同じとする。また、パージガス出口４４ａと外気排出口８ａと、パージガス出口４４ｂと外気排出口８ｂとの距離を概略同じとする。
【００３４】
さらに、パージガス出口４４ａ、４４ｂからほぼ等しい量のパージガスが排出されるように、パージガス分散配管４３の形状を設定する。例えば、環境ライン４０内の圧力とパッケージ６内の圧力と、パージガス分散配管４３の管径、パージ弁４２からパージガス出口４４ａ、４４ｂまでの距離を考慮して、パージガス分散配管４３の形状を設定する。ここでは、パージガス分散配管４３の端部に相当するパージガス出口４４ａ、４４ｂの形状を設定する。例えば、パージガス出口４４ｂの断面積をパージガス出口４４ａより小さく設計する。
【００３５】
なお、図４に示すように、パージガス分散配管４３内に圧力損失等価手段を備えても良い。ここでは、パージガス分散配管４３の配管内面に環状の部材を設置することによりオリフィス４６を構成する。これにより、パージガス分散配管４３の形状のみでパージガス出口４４ａとパージガス出口４４ｂから排出されるパージガスの圧力損失を等しく出来ない場合にも、パージガス出口４４ａ、４４ｂから排出されるパージガス流量を概略同じとすることができる。
【００３６】
次に、パッケージ６内の換気ガスおよびパージガスの流れを、図５、図６を用いて説明する。なお、ここでは供給装置３、４、および、スタック２への水素ガス、燃料ガスの供給配管等は省略する。また、図６における点線で示された燃料ガス濃度の時間変化は比較例であり、図５において外気排出口８ｂから排出されるガスの燃料ガス濃度の時間変化に相当する。
【００３７】
図５に、分散手段、ここでは複数のパージガス出口４４を備えたパージガス分散配管４３を用いない場合のガスの流れを示す。つまり、図５に示すように、パージ弁４２の出口が、パッケージ６内にパージガスを放出するパージガス出口４４となる。
【００３８】
ここでは、レイアウト上等の制約により、図３と同様にパージ弁４２の出口を偏って形成する場合を示す。これにより、パージガス出口４４と換気ファン７ａまでの距離と、換気ファン７ｂまでの距離、および、パージガス出口４４と外気排出口８ａまでの距離と、外気排出口８ｂまでの距離とが異なる。ここではパージガス出口４４と換気ファン７ｂまでの距離、および、パージガス出口４４と外気排出口８ｂまでの距離が比較的小さくなっている。
【００３９】
これにより、パージ弁４２の出口から排出された燃料ガスを含むパージガスは、換気ファン７ｂからパッケージ６内に吸入され、外気排出口８ｂから排出される換気ガスの流れの影響を大きく受ける。例えば、外気排出口８ａ、８ｂそれぞれの外側に水素濃度センサを配置した場合には、図５に示すように外気排出口８ｂの外側で検出される水素濃度のほうが、外気排出口８ａの外側で検出される水素濃度より高くなる。つまり、パッケージ６内では、換気ファン７ｂおよび外気排出口８ｂが配置されている側が、換気ファン７ａおよび外気排出口８ａが配置されている側よりも燃料ガス濃度が高くなる。このように燃料ガス濃度に偏りがある場合には、高いほうの濃度が所定値以下となるように換気ガスの流量を設定する必要があり、これによりシステムの効率が低下する。
【００４０】
これに対して、本実施形態では、図６に示すようにパージ弁４２の出口にパージガス分散配管４３を接続することにより、複数、ここでは二つのパージガス出口４４ａ、４４ｂを構成する。このとき、換気ファン７ａ、パージガス出口４４ａ、外気排出口８ａ間の間隔と、換気ファン７ｂ、パージガス出口４４ｂ、外気排出口８ｂ間の間隔とが、ほぼ等しくなっている。よって、それぞれの換気ファン７ａ、７ｂから取り込んだ換気ガスによる影響がパージガス出口４４ａ、４４ｂ近傍で同じ程度となる。また、上述したように、パージ弁４２を介してパージガス出口４４ａから排出されるパージガスと、パージガス出口４４ｂから排出されるパージガスとのパージガス分散配管４３内を流通する際の圧損を、概略同じとしている。これにより、パージガス出口４４ａ、４４ｂから排出されるパージガス量は概略等しくなる。
【００４１】
つまり、パージガス出口４４ａ、４４ｂから概略同量のパージガスが放出され、また、放出されたパージガスは略同程度の換気ガスの影響を受ける。これにより、換気ファン７ａから外気排出口８ａにかけての流れと、換気ファン７ｂから外気排出口８ａにかけての流れにおける燃料ガス分布がほぼ同等となる。つまり、図６に示すように、外気排出口８ａ、８ｂの外側の水素濃度は、外気排出口８ａ側と外気排出口８ｂ側とでほぼ等しくなる。このように、パージされた燃料ガスの濃度が平均化されるので、換気ガスの流量を同一とした際に、図５に示す構成に比較して、水素濃度の最大値を低減することができる。言い換えれば、換気流量を抑制しても、水素ガス濃度を規定値以下に保つことができる。よって、換気ファン７の回転速度を抑制することができるので、システム全体の効率を向上することができる。
【００４２】
なお、図２に示すように、パージガス分散配管４３をたこ足状に形成してもよい。このときには、各パージガス出口４４から排出されるパージガスが同量となるように、パージガス分散配管４３の形状を設計する。または、パッケージ６内の換気ガス流れの軸に対して、流れの断面方向に対称にパージガスが放出されるように、パージガス分散配管４３の形状を設計する。
【００４３】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４４】
パージ手段内での圧損を、それぞれのパージガス出口４４から放出されるガスの間で略等しくする。これにより、パージガス出口４４からのパージガスの放出されやすさをパージガス出口４４間で等しくすることができる。このとき、パージガス出口４４ａ、４４ｂそれぞれの近傍に流れる換気ガスの状態を同等とする。ここでは、換気ガスの流れの軸に対して対称の位置にパージガス出口４４ａ、４４ｂを配置する。これにより、各パージガス出口４４から放出されるパージガスの流量を概略同じとすることができ、より効果的に空間的に燃料ガスを分散することができる。
【００４５】
次に、第３の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池プラントの概略を、第２の実施形態と同様とする。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４６】
パッケージ６内を流れるパージガスの状態を図７に示す。なお、燃料ガス供給装置３および酸化剤ガス供給装置４、燃料ガスと水素ガスの供給配管は、第２の実施形態と同様とし、図７においては省略する。なお、点線で示された燃料ガス濃度の時間変化は比較例であり、図５において外気排出口８ｂから排出されるガスの燃料ガス濃度の時間変化に相当する。
【００４７】
パージガス分散配管４３を換気ガスの流れの断面に対して角度を持って配置する。これにより、換気ファン７から外気排出口８に向かう換気ガスの流れ方向に対して、パージガス分散配管４３の一方の端部であるパージガス出口４４ａを上流側に、もう一方の端部であるパージガス出口４４ｂを下流側に配置する。
【００４８】
このように形成することで、パージ弁４２が開となり、パージガスが放出される際に、パージガス出口４４ｂからパッケージ６内に放出された燃料ガスが先に外気排出口８ｂに到達し、その後で、パージガス出口４４ａから排出されたパージガスが外気排出口８ａに到達する。つまり、パージガス中の燃料ガスが、換気ガスの流れの方向について分散して放出される。
【００４９】
その結果、図７に示すように、外気排出口８ｂから排出される換気ガス中の燃料ガスは、第２実施形態のように換気ガスの流れについて同断面上にパージガス出口４４ａ、４４ｂを形成した時に比べて、速い段階で検出される。一方、外気排出口８ａから排出される換気ガス中の燃料ガスは、換気ガスの流れの同断面上にパージガス出口４４ａ、４４ｂを形成した時に比べて、遅れて検出される。つまり、換気ガスの流れ方向に沿って分散してパージガス出口４４を構成することで、燃料ガスを時間的にずらして放出した場合と同様に分散することができ、パッケージ６内の燃料ガス濃度勾配を抑制することができる。
【００５０】
なお、この場合にも、パージ手段内での圧損を、パージガス出口４４ａ、４４ｂから放出されるパージガスの間で略同じとなるようにする。これにより、パージガス出口４４ａ、４４ｂから放出されるパージガス流量を均一化することができる。さらに、パージガス出口４４ａ、４４ｂ近傍の換気ガスの流速が異なる場合には、パージガス出口４４ａ、４４ｂ近傍の圧力差を考慮して、パージガス分散配管４３を形成する。これにより、さらにパージガス出口４４ａ、４４ｂから放出されるパージガス流量を均一化して、パッケージ６内の燃料ガス濃度を均一化することができる。
【００５１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５２】
複数のパージガス出口４４をパッケージ６内の換気ガスの流れ方向について分散して構成する。これにより、パッケージ６内で燃料ガスを換気ガスの流れ方向について分散して放出することができるので、パッケージ６内の燃料ガス濃度を均一化することができる。また、燃料ガス濃度の最大値を抑制することができる。これは、特にパージ弁４２をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動する際に有効となる。
【００５３】
また、パージ手段内での圧損を、それぞれのパージガス出口４４ａ、４４ｂから放出されるガスの間で略等しくする。これにより、パッケージ６内の換気ガスの流れ方向についての燃料ガスの濃度を、さらに均一化することができる。
【００５４】
次に、第４の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池プラントの概略を図８に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５５】
循環ライン４０から燃料ガスをパージするか否かを選択するパージ弁４２をパージガス出口４４と同数備える。ここでは、循環ライン４０に入口側で接続するパージ弁４２を二つ（４２ａ、４２ｂ）備える。パージ弁４２ａ、４２ｂの出口側をパージガス出口４４とし、ここからパッケージ６内にパージガスを放出する。例えば、パージ弁４２ａ、４２ｂのそれぞれのパージガス出口４４を換気ガスの流れの中心に対して対称の位置に備える。または、換気ガスの流れの断面上で、十分な流れが存在し、かつ、離れた位置に備えてもよい。これにより、パージガスを、パッケージ６内で空間的に分散して放出することができる。
【００５６】
このような構成の燃料電池システム１において、パージ弁４２ａ、４２ｂを時間差で開とする。ここでは、パージ弁４２ａが開の場合にはパージ弁４２ｂを閉とし、パージ弁４２ａを閉としたらパージ弁４２ｂを開とする。これにより、パージガスをパッケージ６内で時間的に分散して放出することができる。言い換えれば、パッケージ６内の換気ガスの流れ方向について、パージガスを分散して放出することができる。
【００５７】
なお、パージ弁４２ａ、４２ｂの出口に、さらにパージガス分散配管４３を備えても良い。または、図１においてパージガス分散配管４３のパージガス出口４４ａ、４４ｂの近傍にパージ弁４２ａ、４２ｂをそれぞれ備えてもよい。
【００５８】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５９】
パージガス出口４４毎に、スタック２の燃料極からパージされたガスをパッケージ６内に放出するか否かを選択するパージ選択手段を備える。ここでは、パージ弁４２を備える。このように空間的に分散して構成される各パージガス出口４４にパージ弁４２を備え、パージ弁４２の開閉のタイミングを制御することで、パージガスを空間的・時間的に分散して放出することができる。これにより、パッケージ６内でパージガスをさらに分散して放出することができ、燃料ガス濃度を均一化することができるので、換気ファン７の回転速度を抑制することができ、システムの効率をさらに抑制することができる。
【００６０】
次に、第５の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池プラントの概略を図９に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６１】
ここでは、パージ弁４２の出口側をパージガス出口４４とする。パージ手段として、パージ弁４２と、パージガス出口４４の換気ガスの流れ方向についての下流側に配置した分散手段と、を備える。ここでは、分散手段として板状のパージガス分散パネル４８を備える。また、パージガスが換気ガスの流れに対向して放出されるようにパージガス出口４４を構成し、パージガス出口４４を囲むようにパージガス分散パネル４８を構成する。言い換えれば、板状のパージガス分散パネル４８の中央部近傍をパージ弁４２の出口側が貫通するように構成する。
【００６２】
このように構成することで、図１０に示すように、パッケージ６内に放出された燃料ガスは、換気ガスの流れに乗ってパージガス分散パネル４８により四方に分散され、効果的に拡散される。
【００６３】
なお、ここでは、パージガス分散パネル４８の中央部にパージガス出口４４を配置したがこの限りではない。例えば、第２の実施形態と同様に、パージガス出口４４がパッケージ６内の換気ガス流れの断面中央部近傍に位置しない場合には、燃料ガスが換気ガス流れの断面にパージガスが均等に分散されるように、パージガス分散パネル４８の設置位置を設定する。
【００６４】
例えば、図１１に示すように、換気ファン７、外気排出口８を二つずつ備え、パージガス出口４４を換気ファン７ｂおよび外気排出口８ｂ側に偏って形成する場合を考える。このような場合には、パージガス分散パネル４８により、燃料ガスが換気ファン７ａ、外気排出口８ａ側に拡散しやすいように構成する。その結果、図１１に示すように、外気排出口８ａ、８ｂから排出されるガスの水素濃度を均一化することができる。
【００６５】
また、パージガス分散パネル４８として平板形状のものを用いているがこの限りではない。例えば、図１２（ａ）に示すように、仕切り板４８ａを形成してもよい。仕切り板４８ａは、換気ガスの上流側を向く面に放射状に形成する。ここでは、パージガス出口４４を中心とした放射状に形成する。仕切り板４８ａを設けることで、換気ガスおよびパージガスの流れの方向を制御することができるので、確実に拡散することができる。この他にも、パージガス分散パネル４８に山谷の折り目を形成することによってもパージガスの流れの方向を制御することができる。または、図１２（ｂ）に示すように、パージガス分散パネル４８に穴４８ｂを形成してもよい。これにより、さらに効率的に燃料ガスを分散することができる。例えば、パージガス分散パネル４８の面に均等に穴４８ｂを形成することで、パージガス分散パネル４８によって遮られる空間にも燃料ガスを分散することができる。その結果、広い範囲に燃料ガスを分散することができるので、パッケージ６内の燃料ガスの濃度勾配を低減することができる。また、パージガス分散パネル４８をスポンジ状の材質で構成することによっても、パージガス分散パネル４８の後流に燃料ガスを分散することができる。
【００６６】
次に本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６７】
パッケージ６内の換気ガスの流れに対して、パージガス出口４４の下流側に、分散手段を備える。ここではパージガス分散パネル４８を備える。このように、パージガス出口４４付近に、板状／スポンジ状の分散手段を、換気ガス流れについての下流側に設置する構成としたので、レイアウト上の制約から複数のパージガス出口４４を設けることが出来ない場合にもパージガスを分散させることが可能となる。
【００６８】
なお、ここでは換気ファン７から外気を取り込んで、外気排出口８から排出する構成としたがこの限りではない。例えば、外気排出口８の替わりに外気吸入口を供え、換気ファン７によりパッケージ６内のガスを外に押し出す構成としてもよい。
【００６９】
また、パッケージ６の外側に図示しない燃焼器等の水素処理装置を備え、水素処理を行ってから車輌外部に換気ガスを排出する構成としてもよい。
【００７０】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる燃料電池システムに関する別の例の構成図である。
【図３】第２の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図４】第２の実施形態に用いるパージガス分散配管の構成の例である。
【図５】従来におけるパッケージ内の燃料ガスの流れを示す図である。
【図６】第２の実施形態におけるパッケージ内の燃料ガスの流れを示す図である。
【図７】第３の実施形態におけるパッケージ内の燃料ガスの流れを示す図である。
【図８】第４の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図９】第５の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図１０】第５の実施形態における燃料ガスの分散状態を示す図である。
【図１１】第５の実施形態における燃料ガスの流れの例を示す図である。
【図１２】第５の実施形態におけるパージガス分散パネルの形状の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 燃料ガス供給装置
４ 酸化剤ガス供給装置
６ パッケージ
７ 換気ファン（換気手段）
４２ パージ弁
４３ パージガス分散配管（分散手段）
４４ パージガス出口
４８ パージガス分散パネル（分散手段）
Claims (7)
- 燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池と、前記燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、
前記パッケージ手段の内部空間を換気する換気手段と、
前記燃料電池の燃料極側からパージしたガスを前記パッケージ手段内に放出するパージ手段と、を備え、
さらに、前記パージ手段には、前記燃料電池の燃料極側からパージしたガスを前記パッケージ内に分散する分散手段を備えることを特徴とする燃料電池プラント。 - 前記分散手段として、パージされたガスを前記パッケージ内に放出する複数のパージガス出口を備える請求項１に記載の燃料電池プラント。
- 前記パッケージ手段内の換気ガスの流れに対して垂直に、前記燃料電池の燃料極側からパージされたガスを放出する請求項２に記載の燃料電池プラント。
- 複数の前記パージガス出口を前記パッケージ手段内の換気ガスの流れ方向について分散して構成する請求項２に記載の燃料電池プラント。
- 前記パージ手段内での圧損を、それぞれの前記パージガス出口から放出されるガスの間で略等しくする請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池プラント。
- 前記パージガス出口毎に、前記燃料電池の燃料極側からパージしたガスを前記パッケージ手段内に放出するか否かを選択するパージ選択手段を備える請求項２に記載の燃料電池プラント。
- 前記パッケージ手段内の換気ガスの流れに対して、前記パージガス出口の下流側に、前記分散手段を備える請求項１に記載の燃料電池プラント。
Priority Applications (1)
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| JP2003154581A JP2004356017A (ja) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | 燃料電池プラント |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012514301A (ja) * | 2008-12-30 | 2012-06-21 | フロニウス・インテルナツィオナール・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 一部が爆発性のものである、燃料電池の使用済み作動媒体を排出する方法および装置 |
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2003
- 2003-05-30 JP JP2003154581A patent/JP2004356017A/ja active Pending
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| US8722262B2 (en) | 2008-12-30 | 2014-05-13 | Fronius International Gmbh | Method and apparatus for discharging used operating media of a fuel cell some of which are explosive |
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