JP2005116467A

JP2005116467A - 燃料電池の排気システム

Info

Publication number: JP2005116467A
Application number: JP2003352294A
Authority: JP
Inventors: Takamitsu Tokuoka; 貴光徳岡; Yohei Toyoshima; 洋平豊島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Marelli Corp
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: JP4584564B2

Abstract

【課題】車両レイアウトに好適な燃料電池の排気システムを提供する。
【解決手段】燃料と空気とが供給されて発電を行う燃料電池から排出される排燃料を循環経路を経由させて、新たに供給された燃料と混合して燃料電池に供給する燃料電池システムを備え、燃料電池システムの循環経路からパージ等により一時的に排出される排水素を、燃料電池から排出される排空気により希釈して外気に排出する燃料電池の排気システムであり、排水素を排空気と混合させることで排水素の濃度を希釈する合流部２と、合流部２から排出される排気ガスを所定長さの管路を通過させて合流部で混合された排水素の濃度を空気により希釈させる排気管路３と、排気管路３の下流に配置され、排気管路３の断面積よりも大きい断面積の希釈空間１１により排気管路３から導入される排気ガス中の排水素の濃度を空気により希釈して排出する希釈器４と、により構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の排気システムに関し、特に、車両に搭載した水素を燃料とする燃料電池のパージ時の水素の処理に適した燃料電池の排気システムに関するものである。

従来から車両に搭載した水素を燃料とする燃料電池のパージ時の水素を燃焼下限界以下の濃度に希釈してから車外に排気する排気システムが提案されている（特許文献１参照）。

これは、パージ時に排出される燃料を滞留させる所定容積の滞留領域と、燃料電池から排出される空気を通流させるとともに、前記滞留領域からの燃料を混合させて希釈する所定容積の希釈領域と前記滞留領域から前記希釈領域へ燃料を通流させる通流部とを備える希釈装置を設け、この排出燃料希釈装置に燃料を導き、パージと次のパージの間に時間をかけて燃料濃度を燃焼下限界以下に希釈してから車外に排気するようにしている。
特開２００３−１３２９１５号公報

しかしながら、上記従来例では、希釈領域の容積を燃料電池の最大出力時のパージ量以上の大きさにして全てのパージに対応できるように設定するため、希釈装置のサイズが大型となり、車両等輸送機器に搭載する場合に、車両レイアウト上の最適な配置スペースを確保することが課題として残る。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、車両レイアウトに好適な燃料電池の排気システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料と空気とが供給されて発電を行う燃料電池から排出される排燃料を循環経路を経由させて、新たに供給された燃料と混合して燃料電池に供給する燃料電池システムを備え、燃料電池システムの循環経路からパージ等により一時的に排出される排水素を、燃料電池から排出される排空気により希釈して外気に排出する燃料電池の排気システムであり、前記排水素を排空気と混合させることで排水素の濃度を希釈する合流部と、前記合流部から排出される排気ガスを所定長さの管路を流通させて合流部で混合された排水素の濃度を空気により希釈させる排気管路と、前記排気管路の下流に配置されて排気管路の断面積よりも大きい断面積の希釈空間を備え、排気管路から導入される排気ガス中の排水素の濃度を空気により希釈して排出する希釈器と、を備えるようにした。

したがって、本発明では、燃料電池システムよりパージ等で排出される排水素を燃料電池よりの排空気と混合させることで排水素の濃度を希釈する合流部と、前記合流部から排出される排気ガスを所定長さの管路を流通させて合流部で混合された排水素の濃度を空気により希釈させる排気管路と、前記排気管路の下流に配置されて排気管路の断面積よりも大きい断面積の希釈空間を備え、排気管路から導入される排気ガス中の排水素の濃度を空気により希釈して排出する希釈器と、で燃料電池の排気システムを構成した。このため、合流部において、燃料電池システムからパージ等で排出される水素ガスを燃料電池から排出される空気に混合させ、排気管および排気マフラーやテールパイプの流通時において、混合状態で所定長さを通流させることで、水素ガスを空気により希釈し、希釈器において、更に排気管の断面積よりも断面積が大きく且つ所定容積を持った希釈空間を通流させることで更に希釈して外気に排気することができる。また、排水素を滞留させる滞留領域等の大容積部分がないことから、車両レイアウトに好適な燃料電池の排気システムとすることができる。

以下、本発明の燃料電池の排気システムを一実施形態に基づいて説明する。

図１は、本発明を適用した燃料電池の排気システムの第１実施形態を示す斜視図である。

図１において、燃料電池の排気システム１は、図示しない燃料電池システムから排出されるカソード排ガスである排空気とパージ時排出される排水素とを混合させる合流部２と、通過する排気ガス中の排水素を空気により希釈するよう所定長さに設けられた排気管７、排気マフラー８およびテールパイプ９とからなる排気管路３と、排気管７、９より大きい断面積により所定容積の希釈空間を備える希釈器４とを備え、これらを順に経由して、排気ガス中の水素濃度を燃焼下限界以下に希釈してから車外に排気するように構成している。また、合流部２から希釈器４までの経路の途中に、排水素の濃度が高い場合に混合した排水素と排空気とを燃焼反応させて水素ガス濃度を低減する触媒型燃焼器５と、排気ガスを冷却可能であり且つ排気ガス通過時に排水素を排空気と混合して希釈可能な熱交換器６と、を必要に応じて追加するよう構成する。

前記合流部２は、図示しない燃料電池システムから排出されるカソード排ガスである排空気とパージ時排出される排水素とが導入される。前記燃料電池システムは、純水素（以下、「水素」という）を燃料とし、その利用効率を向上するため、燃料電池よりの排水素をエゼクタや水素ポンプを用いて再び燃料電池に供給する循環系統を備える。この循環方式では、循環系統および燃料電池内のアノードガス流路の循環水素ガス中にカソード側から透過した窒素（Ｎ₂）や共給水や生成水の結露水が蓄積して発電反応を阻害するため、セル電圧低下時等に、循環系統の水素を一時的に外部に放出するパージ工程を備える。このパージ工程による排水素の排出は一定間隔で間歇的に実行される。排出される水素パージ量は燃料電池のパージ時の出力に比例している。また、燃料電池システムから排出される排空気は、カソードガス圧力を制御する図示しない圧力制御弁を経由して排気システム１の合流部２に導入される。合流部２では、常時導入される排空気にパージ時に排出される排水素が合流し、両者が混合することで、水素ガスの濃度を希釈する。

前記触媒型燃焼器５は、触媒を内蔵し、合流部２で混合された排気ガスを導入し、排気ガス中の排水素を排空気と触媒により燃焼反応を生じさせて、排気ガス中の水素ガス濃度を低減させて、下流の熱交換器６へ供給する。燃料電池システムから排出される水素のパージ量が多い時には、排気ガス中の水素濃度が高くなり、燃焼反応が促進されて効果的に水素ガス濃度を低減させることができる。排気ガス中に含まれる水素濃度が低い場合には、燃焼反応が緩慢となる。

前記熱交換器６は、前記触媒型燃焼器５での燃焼反応により発生した燃焼熱により温度上昇した排気ガスを導入して冷却するものである。排気ガスは、熱交換通路を通過する間において、冷却され、また、排気ガス中に含まれている排水素が排空気と混合されて希釈され、下流の排気管路３に流れる。この熱交換器６と上流の触媒型燃焼器５は、排気ガス中の水素濃度が比較的高い上流部に配置すると、効果的に水素濃度を低減可能であり、下流の排気管路３および希釈器４での水素濃度の低下割合を減少させることができる。

前記排気管路３は、前記合流部２に連なる前部排気管７Ａと中途部にフレキシブルチューブ７Ｃを備える後部排気管７Ｂを備え、車両中央部の床下の位置から車両後部に配置した排気マフラー８までの所定長さの排気通路を構成する。合流部２で混合された排気ガスは、前部排気管７Ａおよび後部排気管７Ｂを流れるに連れて排気ガス中に含まれる水素ガス濃度を排空気により希釈しつつ流通する。このため、上流から下流に流れるに連れて水素が希釈され、水素ガス濃度を低下させる。排気マフラー８に到達した排気ガスは、消音のために拡張された図示しない複数の室を通過する度に拡張され且つ収縮されることで、排水素の更なる濃度低下が促進されて、車両後部のテールパイプ９に導入され、希釈器４に達する。

前記希釈器４は、図２に示すように、テールパイプ９の出口端部に連結され、その断面積を徐々に拡大した希釈空間１１を備え、希釈空間１１の途中若しくは下流には逆火防止フィルタ１２を備えるよう構成している。なお、符号１３は、希釈空間を保護するカバーである。テールパイプ９末端より断面積を徐々に拡大した希釈空間１１により、通過する排気ガスの通過速度が抑制され、排気ガス中に含まれる排水素と排空気との混合が更に促進され、水素ガス濃度がより低減される。希釈空間１１の末端の大気開放口には、火炎抑制手段として金網やパンチングメタル等により構成した逆火防止フィルタ１２を配置して、希釈空間１１を通過した排気ガスは逆火防止フィルタ１２を通過して外気へ排出される。逆火防止フィルタ１２は、希釈空間１１の下流に設けるのみならず、途中に設けることもできる。

この逆火防止フィルタ１２は、希釈空間１１から外気に排出された排水素が、例えば、車外の路上等に何らかの火種（裸火）があって、万一燃焼を起こしてもフィルタ１２部分で燃焼熱を奪って消炎されるので、希釈空間１１へ燃焼が伝播することがない。また、逆火防止フィルタ１２は、外気側に膨らむ形状、例えば、半球型のような排気ガスの流れ方向に排気ガスとの接触面積が増える形状としている。このため、排気ガス通過時の圧力損失を低減でき、防炎性能、消音性能を向上させる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）燃料と空気とが供給されて発電を行う燃料電池から排出される排燃料を循環経路を経由させて、新たに供給された燃料と混合して燃料電池に供給する燃料電池システムの循環経路からパージ等により一時的に排出される排水素を、燃料電池から排出される排空気により希釈して外気に排出する燃料電池の排気システム１であり、前記排水素を排空気と混合させることで排水素の濃度を希釈する合流部２と、前記合流部２から排出される排気ガスを所定長さの管路を通過させて合流部２で混合された排水素の濃度を空気により希釈させる排気管路３と、前記排気管路３の下流に配置されて排気管路３の断面積よりも大きい断面積の希釈空間１１を備え、排気管路３から導入される排気ガス中の排水素の濃度を空気により希釈して排出する希釈器４と、を備えるようにした。このため、合流部２において、燃料電池システムからパージ等で排出される水素ガスを燃料電池から排出される空気に混合させ、排気管７および排気マフラー８やテールパイプ９の通過時において、混合状態で所定長さを通流させることで、水素ガスを空気により希釈し、希釈器４において、更に排気管７、９の断面積よりも断面積が大きく且つ所定容積を持った希釈空間１１を通流させることで更に希釈して外気に排気することができる。また、排水素を滞留させる滞留領域等の大容積部分がないことから、車両レイアウトに好適な燃料電池の排気システムとすることができる。

（イ）希釈器４は、その希釈空間１１下流域若しくは希釈空間１１内に排気ガス中の排水素を空気により希釈する希釈促進手段としての逆火防止フィルタ１２を備えるため、排気出口付近（路上）に何らかの火種（裸火）があって、排出された排気ガスが万一燃焼を起こした場合でも、排気管９内や希釈空間１１に火炎が進入してくることを防ぐことができる。

（ウ）希釈促進手段としての逆火防止フィルタ１２は、通過する排気ガスとの接触面積を増加させるよう下流方向に突出したドーム状をなし、多数の孔を備えた板材若しくは網により形成されているため、半球型のような排気の流れ方向に排気ガスとの接触面積が増え、圧力損失を低減させると共に、防炎性能、消音性能を向上することができる。

（エ）合流部２から希釈器４までの間に、排気ガス中の排水素を空気により燃焼させる触媒を有する触媒型燃焼器５を備えるようにすると、燃料電池システムから排出される水素のパージ量が多い時には、排気ガス中の水素濃度が高くなり、燃焼反応が促進されて効果的に水素ガス濃度を低減させることができる。触媒型燃焼器５により発生させる燃焼反応は、水素濃度が高いほど効果的に促進されるものであるから、触媒型燃焼器５は、排気ガス中の水素濃度が比較的高い上流部に配置すると、効果的に水素濃度を低減可能であり、下流の排気管路３および希釈器４での水素濃度の低下割合を減少させることができる。

（オ）触媒型燃焼器５は、その下流に触媒燃焼器５からの排気ガスを冷却する熱交換器６を備えるようにすると、触媒燃焼器５の燃焼反応により温度上昇した排気ガスの温度を低下させることができると共に、排気ガスが熱交換器６を通過する時に水素濃度の希釈を促進することができる。

なお、上記実施形態において、排気ガス中に含まれる排水素を希釈する空気として、燃料電池から排出される排空気を用いるものについて説明したが、図示はしないが、排気システムに新たに外部から空気を供給するものであってもよい。

本発明の一実施形態を示す燃料電池の排気システムの斜視図。同じく希釈器の断面図。

符号の説明

１燃料電池の排気システム
２合流部
３排気管路
４希釈器
５触媒型燃焼器
６熱交換器
７排気管
８排気マフラー
９テールパイプ
１１希釈空間
１２逆火防止フィルタ

Claims

燃料と空気とが供給されて発電を行う燃料電池から排出される排燃料を循環経路を経由させて、新たに供給された燃料と混合して燃料電池に供給する燃料電池システムを備え、燃料電池システムの循環経路からパージ等により一時的に排出される排水素を、燃料電池から排出される排空気により希釈して外気に排出する燃料電池の排気システムにおいて、
前記排水素を排空気と混合させることで排水素の濃度を希釈する合流部と、
前記合流部から排出される排気ガスを所定長さの管路を流通させて合流部で混合された排水素の濃度を空気により希釈させる排気管路と、
前記排気管路の下流に配置されて排気管路の断面積よりも大きい断面積の希釈空間を備え、排気管路から導入される排気ガス中の排水素の濃度を空気により希釈して排出する希釈器と、を備えることを特徴とする燃料電池の排気システム。
前記希釈器は、その希釈空間下流域若しくは希釈空間内に排気ガス中の排水素を空気により希釈する希釈促進手段としての逆火防止フィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排気システム。
前記希釈促進手段としての逆火防止フィルタは、通過する排気ガスとの接触面積を増加させるよう下流方向に突出したドーム状をなし、多数の孔を備えた板材若しくは網により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の排気システム。
前記燃料電池の排気システムは、前記合流部から希釈器までの間に、排気ガス中の排水素を空気により燃焼させる触媒を有する触媒型燃焼器を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池の排気システム。
前記触媒型燃焼器は、その下流に触媒燃焼器からの排気ガスを冷却する熱交換器を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の排気システム。