JP2005142092A - ガス処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 複数のガスを充分混合して希釈することが可能なガス処理装置を提供する。
【解決手段】 第１のガス（Ｈ2）と第２のガス（Ａｉｒ）とを混合するためのガス処理装置であって、第２のガス（Ａｉｒ）を流通させるための流通路（１１０）、流通路（１１０）における第２のガス（Ａｉｒ）の流通方向とは非平行な方向から第１のガス（Ｈ2）を流通させるための流入口（１０４）を有し、流通路（１１０）の一部を密封するハウジング（１０１）を備える。ハウジング（１０１）に密封されている領域の少なくとも一部において、流通路（１１０）は第２のガス（Ａｉｒ）及び第１のガス（Ｈ2）を流出入させるための孔構造（１１１）を備えている。この構造によれば、孔構造が乱流を発生させるので、第１のガス（Ｈ2）と第２のガス（Ａｉｒ）との混合度が向上し、均一にガス濃度を低下させることが可能となる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、燃料電池のパージガスを希釈するための装置に係り、特に、パージガスを均一に希釈するために適する構造に関する。
燃料電池では燃料としての水素を循環させて再利用している。電気自動車の動力源として燃料電池を利用する場合、循環系の水素の一部を外部に放出するパージ動作を行う場合がある。例えば、一時的に低下した燃料電池の電圧を回復させる場合や車両停止時に生じた燃料電池の両極間の圧力の差を緩和させる場合にパージ動作が必要になる。
循環系の水素をパージ動作によって外部に放出する場合には、水素を空気で希釈して水素濃度を燃焼限界より低くするために希釈器が用いられていた。例えば、特開２００３―１３２９１５号公報では、パージされた水素オフガスをタンク内に滞留させ、隣接するタンク内を通過する空気に徐々に混合させて水素オフガスを上記濃度以下に希釈する技術が開示されている（特許文献１）。
特開２００３―１３２９１５号（図２等） 特開２０００―３４８７４３号公報（段落番号００２９、図２等） 特開２００２−２８９２３７号公報（図８等）
しかしながら、上記従来の希釈構造では、局所的にも充分に燃焼可能な濃度以下になるように水素の濃度を希釈できるとは限らなかった。特開２００３―１３２９１５号公報に開示された希釈器構造では、滞留させた水素を導くため、空気側に導入する際に局所的に水素濃度が高いまま流出してしまう可能性があった。
そこで本発明の目的は、上記課題を解決するために、複数のガスを充分混合して希釈することが可能なガス処理装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明は、第１のガスと第２のガスとを混合するためのガス処理装置であって、第１のガスまたは第２のガスの少なくとも一方に乱流を発生させて両ガスを混合する乱流発生手段を備えることを特徴とする。
上記構成によれば、乱流発生手段が乱流を発生させるので、第１のガスと第２のガスとの混合度が向上し、均一にガス濃度を低下させることが可能となる。例えば第１のガスまたは第２のガスのいずれか一方が可燃性のガスである場合、可燃性ガスの濃度を均一に下げ、外部に排出することができる。
ここで「第１のガス」や「第２のガス」に限定はなく、例えば第１のガスを水素、第２のガスを空気とすることが可能である。
本発明のガス処理装置は、第２のガスを流通させるためのハウジングを備え、このハウジングには、第２のガスの流通方向とは非平行な方向から第１のガスを流通させるための流入口が設けられている。
上記構成によれば、第２のガスの流通方向に対し非平行な方向、つまり横や斜め等の異なる方向から第１のガスが流入するように流入口が設けられているので、ハウジング内では流入口からの第１のガスの流れが流通路の方向とは非平行な方向に流れる。このためこの第１のガスの流れと第２のガスとが衝突して乱流となり、均一に混合される。
ここで流入口は、当該ハウジングの軸芯から偏芯した位置に第１のガスを流入可能に設けられている。当該構成によれば、流入口が軸芯から偏芯しているので、第１のガスがハウジング内を渦巻くような回転流が発生する。このため孔構造からハウジング内に漏れ出た第２のガスを効率的に均一化することができる。また第１のガスに回転流が生じるので、第１のガスに水分等の比較的質量の大きな成分が含まれていた場合に遠心力が働き、ハウジングの壁面に付着させることで、その水分等の成分を分離することができる。
ここでハウジングに少なくとも一部が密封された、第２のガスを流通させる流通路を備え、流通路は第２のガス及び第１のガスを流出入させるための孔構造を備えていることは好ましい。流通路の一部をハウジングが囲んでおり、ハウジングで覆われる流通路の一部に孔構造を備えるので、流通路の孔構造を介して第２のガスが流通路内における流通方向とは異なる方向でハウジング内に出入りし、ハウジング内で乱流を発生させている第１のガスと混合される。
ここでハウジングの鉛直方向下部に液体排出口が設けられていてもよい。この構造によれば、第１のガス中の比較的質量の大きな成分、例えば凝集させて得られた水分を排出することが可能である。
また上記ハウジングは、少なくとも一部にガスを攪拌する攪拌部材を備えていてもよい。当該構成によれば、攪拌部材があるためハウジング内に生ずる気流にさらに局所的な乱流が多数発生し、さらに均一の第１のガスと第２のガスとを混合することができる。
ここで「攪拌部材」とは気流の中に存在することによって気流の流れに乱れを生じさせることができるものであればよく、例えばグラスウールとすることができる。グラスウールを攪拌部材として用いた場合には、ガスの流通から生じるガス等の流体の振動や上流からの音波を吸収させる消音器を兼用させることが可能である。
ここで攪拌部材はハウジングのガス流通方向下流側に配置されガス流通方向上流側には空間が形成されており、空間の鉛直方向下部に液体排出口を備えていてもよい。この構造によれば、第１のガスの流入口近くの空間で不要な成分、例えば凝集させて得られた水分を排出し、攪拌部材に不要な成分、例えば水分が蓄積することを防止できる。
また、本発明は、第１のガスを流通させ、当該第１のガスを外部に拡散させるための拡散構造を備えた第１流通路と、第１流通路を取り囲んでおり、当該第１流通路の周りに第２のガスを流通させるための第２流通路と、を備えた構造とすることもできる。
上記構成によれば、第１流通路の周りを第２流通路が取り囲んだ構造となっているので、第１のガスを第２のガスに対して混合するような構造となっており、局所的な濃度の偏りが抑制され、希釈性能が向上することが期待できる。また第１流通路が第２流通路内部に包含されてしまう構造となっているので、希釈器や混合器のために空間を設ける必要が無くなり省スペース構造とすることができる。例えば第１のガスを可燃性のガス、第２のガスを不燃性のガスとした場合に、混合ガスが燃焼しない態度にまで第１のガスの濃度を均一に下げることができる。
また上記構成によれば、第１流通路の周りを第２のガスが流通することになるので、第１流通路を流れる第１のガスに水分等が含まれており水分等の凍結温度以下に環境温度が下がったとしても、第２のガスの温度がそれ以上の温度であれば第１流通路内の凍結を抑制できる。
ここで上記拡散構造を、第１流通路を流れてきた第１のガスを第２のガスの流通方向とは異なる方向に流出させる複数の孔構造としてもよい。この構造によれば、第１のガスが第２のガスの流れに対して流出するようになるため、第１のガスと第２のガスとが衝突し乱流が発生して、希釈性能が向上することが期待できる。
ここで上記孔構造は、第１のガスの流通方向下流ほど単位面積当たりの孔合計開口面積が大きくなるように設けられていてもよい。この構造によれば、第１流通路の上流側ほど第１のガスの濃度が高く下流側ほど濃度が低くなるため、孔構造から流出した第１のガスが第２のガスと混合された場合、混合ガス中の第１のガスの濃度がいずれの箇所でも均一化にすることができ、第２流通路内における第１のガスの濃度の偏りを抑制することができる。
ここで上記孔構造は、第１流通路の鉛直方向下部に少なくとも設けられていることは好ましい。この構造によれば、第１のガス中に液体成分、例えば水が含まれていた場合に、第１流通路内で凝集した液体を流路内で滞留させることなく外部に排出することが可能となる。
ここで上記孔構造は、第１流通路の鉛直方向上部に少なくとも設けられていることは好ましい。この構造によれば、第１のガスを第１流通路の天井付近に滞留させることなく外部、すなわち第２流通路内に排出させ、第２のガスと混合させることができる。
ここで上記拡散構造は、第１流通路を流れてきた第１のガスを第２のガスの流通方向と略直交する方向に流通させる構造を備えることは好ましい。このように構成すれば第１のガスが第２のガスに直交するように流出するので第２のガスと衝突し乱流を発生させ、希釈性能を向上させることが期待できる。
ここで第１流通路または第２流通路の少なくとも一方は管状であり、双方の軸線が略平行になるよう配置されていることは好ましい。この構造によれば、第１流通路が通常のパイプ形状である第２流通路内部に包含されてしまう構造となっているので、希釈器や混合器のために空間を設ける必要が無くなり省スペース構造とすることができる。特に、電気自動車に適用すれば、既存の排気パイプと同様の容積中に希釈器を設置できることになり、省スペース化が可能である。
ここで上記第１流通路は、第２流通路の鉛直方向下部及び上部以外の位置に設けられていることは好ましい。この構造によれば、ガスの濃度が高まりやすい天井部・底部やガス中に含まれる液体成分が滞留し易い底部を避けて第１流通路が配置されるので、ガスの希釈性能を向上させることが期待できる。
ここで上記第２流通路の鉛直方向下部に液体排出口が設けられていることは好ましい。この構造によれば、ガス中に含まれている液体成分が凝集等した場合にその液体を第２流通路内に滞留させることなく排出させることが可能である。
ここで第１のガスまたは第２のガスの流通路の少なくともいずれか一方に屈曲部を備えていることは好ましい。屈曲部を備えていれば、ガスの流れに乱れが生じ、乱流が発生し易くなり、ガスの混合を促進可能だからである。
ここで本ガス処理装置は、第１のガスを供給する第１ガス供給手段と、第２のガスを供給する第２ガス供給手段と、をさらに備え、第２ガス供給手段は、第１ガス供給手段により第１のガスが供給された時に対応させて第２のガスを供給することを特徴とする。上記構成によれば、第１のガスを供給するタイミングに合わせてそれと混合すべき第２のガスの量を増加させることができるので、希釈された混合ガスの混合比を平均化し混合性能を向上させることができる。
ここで本ガス処理装置は、燃料電池システムに利用されるものであって、第１のガスが燃料電池システムから排出される水素ガスであり、第２のガスが当該水素ガスを希釈するための空気とすることができる。このとき、第２流通路の容積が、燃料電池の低負荷動作時におけるパージガス量より小さく構成されていることは好ましい。このように構成すれば、パージ動作で導入された水素ガスが第２流通路内に滞留することはできず、希釈された後必ず外部に排出されてしまうので、混合性能を向上させることができる。
以上本発明によれば、第１のガスと第２のガスとの間で乱流を発生させて両者を混合するので、局所的な濃度の偏り無く平均化して第１のガスを第２のガスで希釈することが可能である。
また本発明によれば、一方のガスの流通路を他方のガスの流れが取り囲んでいるので、流通路に流れるガスに凍結するような液体成分が含まれていても、他方のガスの存在により流通路内の液体成分の凍結が抑制される。
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
本発明の実施形態１は、電気自動車に搭載する燃料電池システムに用いるために適する希釈器に本発明のガス処理装置を適用したものである。特に、希釈すべき水素ガスを希釈媒体である空気の供給パイプの周辺において乱流を発生させ混合するガス処理装置に関する。以下の実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。便宜上、本発明にいう第１のガスとして水素ガスを例示し、第２のガスとして空気を例示する。
図５に、燃料電池システムのシステム図を示す。図５に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック２０３を中心として構成される。燃料電池スタック２０３は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルとを複数積層したスタック構造である。ＭＥＡは高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。燃料極は燃料極用触媒層を多孔質支持層状に設けてあり、空気極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。このような構造の燃料電池スタック２０３に対して燃料である水素を供給する系が燃料極系、空気を供給する系が空気極系である。このほか、発熱反応をする燃料電池スタック２０３を冷却する冷却系、本発明に係る排気系が存在する。
燃料極系において、水素タンク２００からの純粋水素が減圧バルブ２０１を介して供給され、シャットバルブ２０２、燃料電池スタック２０３の燃料極、シャットバルブ２０４、気液分離器２０５、シャットバルブ２０６、及びポンプ２０７等によって水素の循環系が形成されている。
空気極系では、エアクリーナ２２０、コンプレッサ２２１、加湿器２２２を経て空気が燃料電池スタック２０３の空気極側に供給されるように構成されている。
冷却系では、ラジエータ２３０、ファン２３１、及び冷却ポンプ２３２によって冷却水が燃料電池スタック２０３に循環供給されるようになっている。
排気系として、水素循環系からは、シャットバルブ２０９を経てパージ動作によって排出された水素（水素オフガス）が水素流通パイプ２４０を介して、本発明に係る希釈器１００に供給されるようになっている。一方、空気極系からは、加湿器２２２を経た排気（空気オフガス）が、圧力調整バルブ２２３によって制御される流通量で排気流通パイプ２５０を介して希釈器１００に供給されるようになっている。希釈器１００の液体排出口１０５（図１参照）から排出された液体及びガスは、気液分離器２１０及びシャットバルブ２１１を経て排出されるようになっている。
なお、圧力調整バルブ２２３を、排気流通パイプ２５０の開度を変更可能な開度調整バルブや排気流通パイプ２５０と平行に設けられたバイパス通路の開閉バルブで代用してもよい。すなわち、排気流通パイプ２５０の下流に配置された希釈器１００に流入するガス流量（圧力）を変更可能な弁構造を圧力調整バルブ２２３の代わりに適宜変更して用いることができる。
制御部３００はＥＣＵ等の公知のコンピュータシステムであり、燃料電池システム全体を制御可能になっている。具体的には、図示しない各部のセンサからの検出信号等に基づいて各バルブの開閉制御を可能に構成されている。特に、本実施形態では、制御部３００は、シャットバルブ２０９を開放して水素オフガスが供給された時に対応させて圧力調整バルブ２２３をさらに開放したり、コンプレッサ２２１の回転数を上げたり、あるいは両方の操作を並行して行ったりして空気オフガスの流通量を増大するように制御可能にプログラムされている。
次に本燃料電池システムの作用を説明する。燃料電池は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、陰極である燃料極側に水素を含んだ水素ガスを、陽極である空気極側に酸素を含んだガス（当該実施形態では空気）を供給し、燃料極側では式（１）のような反応を、空気極側では式（２）のような反応を生じさせ、電子を循環させ電流を流す。系全体としてみれば、式（３）のように水の電気分解の逆反応を生じている。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ― …（１）
２Ｈ+＋２ｅ―＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
式（１）の反応を生じさせるために、水素タンク２００は、内部に水素吸蔵合金を備えている。水素吸蔵合金は、加熱すると吸熱反応を通じて水素を放出し、冷却すると放熱反応を通じて水素を吸蔵するような性質を有している。水素タンク２００は、図示しない熱交換システムによって所望の量の水素を放出するように制御可能に構成されている。
運転時、水素タンク２００が加熱されることにより発生した水素ガスは、減圧バルブ２０１により減圧された後、開放されているシャットバルブ２０２を介して燃料電池スタック２０３に供給される。燃料電池スタック２０３の燃料極では、上記式（１）に示すような反応を生じて電子が放出され、発電が行われる。燃料電池スタック２０３から放出された水素ガスはいわゆるオフガスであり、水分他の不純物が含まれている。気液分離器２０５では、この水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、シャットバルブ２０６を通じて外部に放出する。水分等が取り除かれた水素ガスは、ポンプ２０７により加圧されて再び水素タンク２００からの本流に戻される。ポンプ２０７は、燃料電池システムの発電量に対応させて出力される電力量や電圧が安定するように水素オフガスの供給量を変化させている。この一巡のサイクルが循環系である。循環系の一部の水素オフガスは、シャットバルブ２０９が制御手段によって開放された場合に、水素流通パイプ（第１流通路）２４０を通じて、本発明に係る希釈器１００に供給される。なお、始動時等で水素タンク２００の温度が低く水素ガスが充分に出ない場合には、シャットバルブ２０９を閉じ、シャットバルブ２０２及び２０４を開けて水素ガスを水素タンク２００から引き出してもよい。
なお、本実施形態における水素吸蔵タンク２００の代わりに、水素吸蔵機能を備えない高圧水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンクから水素を供給するように構成してもよい。
一方、式（２）の反応を生じさせるために、コンプレッサ２２１を駆動させて、エアクリーナ２２０から空気が取り入れられる。エアクリーナ２２０によって浄化されて取り入れられた空気は、加湿器２２２によって適度な湿度を加えられて燃料電池スタック２０３の空気極に供給され、上記式（２）の電気化学反応を生じて水分を生じる。空気極では、エアクリーナ２２０から取り入れられた空気中の酸素成分と燃料極から供給された水素イオンとが電子を取り込んで結合し水分が発生する。燃料電池スタック２０３を通った空気は、空気オフガスとして加湿器２２２を通過して、圧力調整バルブ２２３によって制御される流通量で空気流通パイプ（第２流通路）２５０を通じて、本発明に係る希釈器１００に供給される。
次に、図１〜図３を参照しながら、本発明に係る希釈器１００について説明する。図１は、本希釈器１００の透過斜視図であり、図２（ａ）及び（ｂ）は、当該希釈器の側面図及び側面断面図である。図３は、当該希釈器の軸方向垂直面断面図であり、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ切断面図、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ切断面図である。
これら図面に示すように、希釈器１００は、空気流通パイプ２５０の一部を密封するハウジング１０１に、空気オフガスの流通方向とは非平行な方向から水素オフガスを流入するための流入口１０４を備えている。この流入口１０４はハウジング１０１の軸芯から偏芯した位置に水素オフガスを流入可能に設けられている。流入口１０４には、水素流通パイプ２４０が連通している。ハウジング１０１内で密封されている空気流通パイプ２５０の領域には孔構造１１１が多数設けられており、空気流通パイプ２５０内を流通する空気や流入口１０４から流入した水素ガスがハウジング及び空気流通パイプ２５０間を出入りすることが可能な構造になっている。
ここでハウジング１０１の容積は、当該燃料電池システムの低負荷動作時（アイドル時等）におけるパージガス量より小さく構成されていることは好ましい。容積がパージ時の水素オフガス量より小さいのでパージ時に常に希釈器１００内に流速が発生し、水素オフガスが滞留することを防止できる。
ハウジング１０１の、空気流通パイプ２５０中を流れる空気の流通方向下流側には、本発明の攪拌部材に係るグラスウール１０３が充填されている。グラスウールは、ガラス原料を高温の炉で溶かし、繊維化したあと接着剤を吹き付けて加熱成型した綿状の物質である。グラスウールは細い糸状の束となっているため複数のガスを効率よく攪拌するが、さらに吸音性能も高いため、当該希釈器１００をサイレンサ（マフラ）としても機能させる場合に有利である。但し、空気と水素ガスとを攪拌可能なものであれば、攪拌部材はグラスウールに限らない。グラスウールの充填方法に限定は無いが、ガスが流通可能な程度の密度になるように配置することが好ましい。ガスが綿状繊維の間を通ることによって攪拌と乱流発生がある方が好ましいからである。
グラスウール１０３は空気の流通方向下流側に配置されているため、ハウジング１０１の空気流通方向上流側には空間１０２が形成されている。この空間１０２には上記した水素ガスを流入させる流入口１０４の他に、空間１０２の鉛直方向下部に液体排出口１０５を備えている。
次に図４を参照して当該希釈器１００の作用を説明する。図４（ａ）は、側面からの乱流発生の概略説明図であり、図４（ｂ）は正面からの回転流発生の概略図である。
上記実施形態によれば、各構成の個々が有機的に作用し、当該希釈器１００は、空気オフガスと水素オフガスとの間に乱流を発生させて混合する乱流発生手段として機能するように構成されている。まず、図５の燃料電池システムにおいて、ポンプ２０７により循環している水素系の水素ガスの不純物濃度が上がってきた場合、または、上がってきたと予想される状態になった場合、制御部３００の制御によりシャットバルブ２０９が開放される。この操作によって、不純物が含まれている水素ガス（水素オフガス）は循環系から水素流通パイプ２４０に排出される。不純物が含まれた水素ガスが排出されるとその排出された分の純粋な水素ガスが水素タンク２００から補充され、発電効率を下げることが防止される。
このとき排出された水素オフガスは、水素流通パイプ２４０を通過して、希釈器１００の流入口１０４からハウジング１０１内に流入する。水素オフガスが流入する流入口１０４はハウジング１０１の軸芯から偏芯した位置に設けられているので、流入口１０４からハウジング１０１に流出した水素オフガスによって、図４（ｂ）に示すように空気流通パイプの周囲に回転流Ｔが生じる。
一方、図５の燃料電池システムにおいて空気極系から排出された空気オフガスは、図４（ａ）に示すように、空気流通パイプ２５０を通過して図面左から右方向に流通していく。特に制御部３００は、シャットバルブ２０９を開放して水素オフガスをパージしたタイミングに対応させて空気オフガスの流通量を調整する圧力調整バルブ２２３をさらに開放したり、コンプレッサ２２１の回転数を上げたり、あるいは双方の処理を並行させたりして空気オフガスの流通量を増大させる。このため大量の空気オフガスが希釈器１００に供給される。
当該希釈器１００のハウジング１０１内の領域には孔構造１１１が設けられているため、孔構造１１１を通過してハウジング１０１内に流出する空気流ｔ１が発生する。ここでハウジング１０１内には水素オフガスによる回転流Ｔが生じているので、この回転流Ｔが空気流通パイプ２５０の孔構造１１１から流出した空気流ｔ１と衝突して水素オフガスと空気オフガスとの間に乱流が発生する。乱流によって、両ガスが効率的に均一化し希釈化される。混合されたガス、すなわち空気オフガスで希釈された水素オフガスは、再び孔構造１１１を介して空気流通パイプ２５０内に戻る戻り流ｔ２となって、本流の空気とともに排出される。このような作用のため、水素オフガスの濃度が所定濃度（例えば４％）以下に希釈されて外部へ排出される。
ここでハウジング１０１の容積はパージガス量より小さく構成されているので、パージ時に常に希釈器１００内に流速が発生し、水素オフガスが希釈器内に滞留することが防止される。
また、水素オフガスのパージ時に同期して制御部３００の制御によりシャットバルブ２２３がさらに開放したり、コンプレッサ２２１の回転数を上げたり、あるいは双方の処理を並行させたりして空気オフガスの流通量が増加されるので、両者のオフガスの希釈が促進される。
また、上記希釈器１００には液体排出口１０５が設けられている。水素オフガスには水分が含まれているが、流入口１０４からハウジング１０１内に流入した水素オフガスは回転流Ｔとなっているので、水素オフガス中の比較的質量の大きな水分が遠心力によりハウジング１０１の壁面に付着する。付着した水分はハウジング１０１の鉛直方向下部に凝集し、この領域に設けられている液体排出口１０５から排出される。さらに気水分離器２１０で水分のみが分離され、シャットバルブ２１１の開閉に対応して排出される。特にこの液体排出口１０５はグラスウール１０３の手前の空間に設けられているので、攪拌部材であるグラスウールに不要な水分が蓄積して攪拌性能や消音性能を低下することを防止できる。
なお、上記実施形態１では、図１〜３に示すようにハウジング内に孔構造１１１を有する空気流通パイプ２５０を備え、グラスウール１０３を充填した態様を示したが、これらの部材は必須の構成要素ではない。
つまり、ハウジング１０１内における空気流通パイプ２５０または（および）グラスウール１０３を省略してもよい。少なくとも空気流通パイプ２５０に連通するハウジング１０１と水素オフガスをハウジング１０１内に対して流入させる為の流入口１０４を備えているだけでよい。
また、孔構造１１１に関しては、その開口形状が円形に限定されるものではない。すなわち、孔開口の形状が、長孔でも多角形孔でもよく、長手方向があるような孔形状の場合にはその方向が流通路の方向と平行に配置されていても非平行に配置されていてもよい。
さらに孔構造に代えて、ガスの流れを所定の方向に整流する整流部材や、乱流を発生させる乱流部材を設けてもよく、それらを適宜組み合わせたり一部省略したりしてもよい。
すなわち、孔構造に関しては、空気オフガスが空気流通パイプ２５０からハウジング１０１内の空間１０２に流入する際に乱流が発生し易くしたり、逆に空間１０２から空気流通パイプ２５０内に水素オフガスを主体とするガスが流入しやすくしたりする孔構造であれば、その孔形状や個数、配置態様は種々に選択変更することが可能である。
（実施形態２）
本発明の実施形態２は上記実施形態１の希釈器において、さらにガスの混合・希釈を促進するための流通路の構造の変形例に関する。図６に本実施形態２における希釈器の側面図を示す。図６に示すように、本希釈器１００ｂはハウジング１０１内において、流通路１１０の一部に屈曲部１１２を備えている点で特徴がある。その他の構成については上記実施形態１と同様である。
この構成において、流通路１１０を流れる空気オフガスは屈曲部１１２の屈曲により流通方向を強制的に変更され乱流を生じる。このため屈曲部１１２の流通路周辺に設けられている孔構造１１１からの空気オフガスの流出も激しくなる。また屈曲部１１２の周囲を流れる水素オフガスの回転流Ｔも屈曲部１１２が障壁となるためそこに設けられている孔構造１１１から流入し易くなる。ガスの混合や希釈を促進するためには屈曲の角度は、ガスの流れを阻害しない程度に屈曲が強い方が好ましく、例えば４５度以上あることが好ましい。
従って本実施形態２によれば、流通路１１０を流れている本流の空気オフガスの流れ自体の乱流、孔構造１１１を通じての両オフガスの激しい流出入が相俟って、両オフガスの混合・希釈がさらに促進される。
なお、流通路１１０の屈曲はハウジング１０１内にあることを必須としない。例えば図７に示すように、希釈器１００ｃにおいてハウジング１０１の下流において流通路１１０に屈曲部１１３を備えていてもよい。万一ハウジング１０１内において空気オフガスと水素オフガスとの希釈が不十分になっていても、ハウジング下流に設けられた流通路１１０内の屈曲部１１３において再度乱流が発生するため、水素オフガスの濃度の偏りを是正し均一に希釈を促進することができる。
（実施形態３）
上記実施形態１では空気オフガスの流通路を囲むハウジングに水素オフガスを流入させ流通路の周囲から水素オフガスを供給する構造であったが、本発明の実施形態３では空気オフガスの流通路内部に水素オフガスの流通路を配置した点に特徴がある。
図８〜図９を参照して、本実施形態３の希釈器構造を説明する。図８（ａ）は本希釈器構造の透過斜視図であり、図８（ｂ）はシャットバルブからのガス供給のシステム図である。また図９（ａ）は本希釈器の透過平面図であり、図９（ｂ）はその断面図である。
これら図面に示すように、本実施形態３の希釈器１００ｄは、上記実施形態１で説明した空気流通パイプ２５０内に収容されるものであり、空気流通パイプ２５０の内壁に水素流通パイプ２４０を空気オフガスの流通方向に略平行に配置して構成されている。図８（ｂ）に示すように、水素流通パイプ２４０はシャットバルブ２０９の下流で空気流通パイプ２５０内に入り込んで、そのパイプの軸方向が空気流通パイプ２５０の軸方向とほぼ一致するように配置されている。水素流通パイプ２４０には、空気流通パイプ２５０内において水素オフガスを空気オフガスの流通方向と異なる方向に流出させるための拡散構造として複数の孔構造２４１を備えている。この孔構造２４１は、水素オフガスの流通方向下流ほど単位面積当たりの孔合計開口面積が大きくなるように設けられている。孔合計開口面積を大きくするためには、図面に示すように、単位面積当たりの孔の数を増やしていってもよいが、孔の数を変えなくても孔の開口径を大きくしていってもよい。また孔構造２４１は、水素流通パイプ２４０の鉛直方向下部及び水素流通パイプ２４の鉛直方向上部に設けられている。
なお、水素流通パイプ２４０はその末端が閉鎖されている。末端を閉鎖しなくてもガスの混合は可能であるが、閉鎖されていた方が孔構造からの空気流通パイプ２５０内への水素オフガスの流れが激しくなるため、より激しく空気オフガスと水素オフガスとが衝突して乱流が発生し、希釈が促進される。
また図９（ａ）及び（ｂ）から判るように、水素流通パイプ２４０は、空気流通パイプ２５０の鉛直方向下部及び上部以外の壁面に保持構造２４２等で保持されている。具体的には、空気流通パイプ２５０の内壁側面に保持構造で支えられて偏芯した位置に設けられている。但し、水素流通パイプの剛性が高い場合や希釈器１００ｄの長さが限られている場合には、必ずしも保持構造を必要としない。
空気流通パイプ２５０内に含まれる水素流通パイプ２４０の容積は、燃料電池の低負荷動作時におけるパージガス量より小さく形成してある。
上記構成において、制御部３００（図５参照）が実施形態１と同様に、パージ動作としてシャットバルブ２０９を開放して水素オフガスを供給した場合、このタイミングに合わせて、空気極系の圧力調整バルブ２２３を制御し、空気の流通量を増大させる。図８に示すように、希釈器１００ｄ内では、シャットバルブ２０９から供給された水素流Ｔ１が水素流通パイプ２４０内を流れる。このとき水素流通パイプ２４０には孔構造２４１が設けられているため、水素流Ｔ１は水素流通パイプ２４０の全長に亘って孔構造２４１から少しずつ枝分かれして空気流通パイプ２５０内を流れる空気流ｔ３とは異なる方向、望ましくは略直角な方向に水素枝流Ｔ２として流出する。
一方、水素流通パイプ２４０の周囲には空気オフガスの空気流ｔ３が流れているため、水素流通パイプ２４０の周辺で流出した水素枝流Ｔ２と衝突し乱流が発生する。この乱流によって水素オフガスと空気オフガスとは混合・希釈される。
なお、本実施形態においても、上記実施形態１と同様に、空気流通パイプ２５０内に液体排出口を設けておくことが好ましい。液体排出口を設ければ、ガス中に含まれている液体成分が凝集等した場合にその液体を空気流通パイプ２５０内に滞留させることなく排出させることが可能だからである。
また、本実施形態においても、上記実施形態２と同様に、水素流通パイプ２４０または空気流通パイプ２５０のいずれか一方に屈曲部を備えていることは好ましい。屈曲部を備えていれば、ガスの流れに乱れが生じ、乱流が発生し易くなり、ガスの混合を促進可能だからである。
以上、実施形態３に係る構成によれば、水素流通パイプ２４０の周りに空気流通パイプ２５０が取り囲んだ構造となっており、両者が略平行になるように配置されているので、水素オフガスを空気オフガスに対して混合するような構造となっており、局所的な濃度の偏りが抑制され、希釈性能が向上することが期待できる。
特に管が管を包含するような構造をしているため、水素流通パイプ２４０の長さをある程度確保した場合、空気流通パイプ２５０内に包含されている長い区間で水素を希釈できるため、単位長さ当たりの水素オフガス量を従来より大幅に減らすことができ、安全上好ましい。
また水素流通パイプ２４０が空気流通パイプ２５０内部に包含されてしまう構造となっているので、希釈器や混合器のために別途空間を設ける必要が無くなり省スペース構造とすることができる。
また、上記構成によれば、水分を必然的に含む水素オフガスが流通する水素流通パイプ２４０が空気流通パイプ２５０に包含されている。空気オフガスは反応によりある程度の熱を受けているため、当該空気オフガスの熱によって水素流通パイプ２４０内で水分が凍結することを防止できる。このため流通パイプが凍結によって閉塞される等の危険な自体を回避可能であり安全である。
また、上記構成によれば、水素流通パイプ２４０内の拡散気流音が激しい場合にも、その外側を空気流通パイプ２５０の管壁が覆っていることになるため、防音効果が高い。
また上記構成によれば、水素流通パイプ２４０内に流れる水素オフガスの濃度は高いため万一着火する場合があったとしても、その外側を空気流通パイプ２５０の管壁が覆っていることになるため、安全である。
また拡散構造としての孔構造２４１が水素オフガスを空気オフガスの流通方向と略直交する方向に流通させるように開口しているので、水素オフガスが空気オフガスに直交するように流出して空気オフガスと衝突し乱流を発生させ、希釈性能を向上させることが期待できる。
さらに上記孔構造２４１は、水素オフガスの流通方向下流ほど単位面積当たりの孔合計開口面積が大きくなるように設けられているので、水素流通パイプ２４０の上流側ほど水素オフガスの濃度が高く下流側ほど濃度が低くなる。このため、孔構造２４１から流出した水素オフガスが空気オフガスと混合された場合、混合ガス中の水素オフガスの濃度がいずれの箇所でも均一化にすることができ、空気流通パイプ２５０内における水素オフガスの濃度の偏りを抑制することができ、水素を扱う上で安全上好ましい。
また上記孔構造２４１は水素流通パイプ２４０の鉛直方向下部に設けられているので、水素流通パイプ２４０内で凝集した液体を水素流通パイプ２４０内で滞留させることなく外部に排出することが可能となる。
さらに上記孔構造２４１は水素流通パイプ２４０の鉛直方向上部に設けられているので、水素オフガスを水素流通パイプ２４０の天井付近に滞留させることなく外部、すなわち空気流通パイプ２５０内に排出させ、空気オフガスと混合させることができる。
またさらに、保持構造２４１によって水素流通パイプ２４０は空気流通パイプ２５０内の鉛直方向下部及び上部以外の位置を避けて設けられているので、ガスの濃度が高まりやすい天井部・底部やガス中に含まれる液体成分が滞留し易い底部を避けて、ガスの希釈性能を向上させることが期待できる。
さらに空気流通パイプ２５０内に含まれる水素流通パイプ２４０の容積は、燃料電池の低負荷動作時におけるパージガス量より小さく形成してあるので、パージ動作で導入された水素オフガスが空気流通パイプ２５０内に滞留することはできず、希釈された後必ず外部に排出されてしまい、混合性能を向上させることができる。
また、制御部３００は水素オフガスを供給するタイミングに合わせて混合すべき空気オフガスの流通量を増加させることができるので、希釈された混合ガスの混合比を平均化し混合性能を向上させることができる。
なお、上記実施形態３の変形例として、図１０の側面図に示すように、孔構造２４１を一列のみとせず分散させた孔構造２４３を備える希釈器１００ｅとしてもよい。この場合でも、単位面積当たりの開口面積合計が下流ほど高くなるように孔構造を形成しておくことが好ましい。
また、他の変形例として、図１１の断面図に示すように、水素流通パイプ２４０を保持構造２４４によって空気流通パイプ２５０の中心部に保持するようにしてもよい。このように構成すれば、壁際から離れて最も空気オフガスの流速が大きい中央部において水素オフガスが空気オフガスの流通方向に略直角方向に流出するので両ガスが激しく衝突し、ガスの混合・希釈が促進できる。
実施形態１に係るガス処理装置の透過斜視図。 実施形態１に係るガス処理装置の（ａ）側面図及び（ｂ）側面断面図。 実施形態１に係るガス処理装置の軸方向垂直面断面図であり、（ａ）図２のＡ−Ａ切断面断面図及び（ｂ）図２のＢ−Ｂ切断面断面図。 実施形態１に係るガス処理装置の作用説明図であり、（ａ）側面からの乱流発生の概略説明図及び（ｂ）正面からの回転流発生の概略図。 実施形態のガス処理装置が適用される燃料電池システムのシステム図。 実施形態２に係るガス処理装置の側面図。 実施形態２に係るガス処理装置の変形例。 実施形態３に係るガス処理装置の説明図であり、（ａ）透過斜視図及び（ｂ）シャットバルブからのガス供給のシステム図。 実施形態３に係るガス処理装置の説明図であり、（ａ）透過平面図及び（ｂ）断面図。 実施形態３に係るガス処理装置の変形例の透過平面図。 実施形態３に係るガス処理装置のその他の変形例を説明する断面図。
符号の説明
１００、１００ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ…ガス処理装置、１０１…ハウジング、１０２…空間部、１０３…グラスウール部、１０４…流入口、１０５…液体排出口、１１０…流通路、１１１…孔構造、１１２、１１３…屈曲部、２００…水素タンク、２０１…減圧バルブ、２０２…シャットバルブ、２０３…燃料電池スタック、２０４…シャットバルブ、２０５…気液分離器、２０６…シャットバルブ、２０７…ポンプ、２０９…シャットバルブ、２１０…気液分離器、２１１…シャットバルブ、２２０…エアクリーナ、２２１…コンプレッサ、２２２…加湿器、２２３…シャットバルブ、２３０…ラジエータ、２３１…ファン、２３２…冷却ポンプ、２４０…水素流通パイプ（第１流通路）、２４１、２４３…孔構造、２４２、２４４…保持構造、２５０…空気流通パイプ（第２流通路）、３００…制御部

Claims (20)

  1. 第１のガスと第２のガスとを混合するためのガス処理装置であって、
    前記第１のガスまたは前記第２のガスの少なくとも一方に乱流を発生させて両前記ガスを混合する乱流発生手段を備えることを特徴とするガス処理装置。
  2. 前記第２のガスを流通させるためのハウジングを備え、
    前記ハウジングには、前記第２のガスの流通方向とは非平行な方向から前記第１のガスを流通させるための流入口が設けられている、請求項１に記載のガス処理装置。
  3. 前記流入口は、当該ハウジングの軸芯から偏芯した位置に前記第１のガスを流入可能に設けられている、請求項２に記載のガス処理装置。
  4. 前記ハウジングに少なくとも一部が密封された、前記第２のガスを流通させる流通路を備え、前記流通路は前記第２のガス及び前記第１のガスを流出入させるための孔構造を備えている、請求項２または３に記載のガス処理装置。
  5. 前記ハウジングの鉛直方向下部に液体排出口が設けられている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス処理装置。
  6. 前記ハウジングは、少なくとも一部にガスを攪拌する攪拌部材を備えている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガス処理装置。
  7. 前記攪拌部材は前記ハウジングのガス流通方向下流側に配置されガス流通方向上流側には空間が形成されており、
    前記空間の鉛直方向下部に液体排出口を備える、請求項６に記載のガス処理装置。
  8. 前記攪拌部材はグラスウールである、請求項６または７に記載のガス処理装置。
  9. 前記第１のガスを流通させ、当該第１のガスを外部に拡散させるための拡散構造を備えた第１流通路と、
    前記第１流通路を取り囲んでおり、当該第１流通路の周りに前記第２のガスを流通させるための第２流通路と、を備えた、請求項１に記載のガス処理装置。
  10. 前記拡散構造は、前記第１流通路を流れてきた前記第１のガスを前記第２のガスの流通方向とは異なる方向に流出させる複数の孔構造である、請求項９に記載のガス処理装置。
  11. 前記孔構造は、前記第１のガスの流通方向下流ほど単位面積当たりの孔合計開口面積が大きくなるように設けられている、請求項１０に記載のガス処理装置。
  12. 前記孔構造は、前記第１流通路の鉛直方向下部に少なくとも設けられている、請求項１０または１１に記載のガス処理装置。
  13. 前記孔構造は、前記第１流通路の鉛直方向上部に少なくとも設けられている、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載のガス処理装置。
  14. 前記拡散構造は、前記第１流通路を流れてきた前記第１のガスを前記第２のガスの流通方向と略直交する方向に流通させる、請求項９乃至１３のいずれか一項に記載のガス処理装置。
  15. 前記第１流通路または前記第２流通路の少なくとも一方は管状であり、双方の軸線が略平行になるよう配置されている、請求項９乃至１４のいずれか一項に記載のガス処理装置。
  16. 前記第１流通路は、前記第２流通路の鉛直方向下部及び上部以外の位置に設けられている、請求項９乃至１５のいずれか一項に記載のガス処理装置。
  17. 前記第２流通路の鉛直方向下部に液体排出口が設けられている、請求項９乃至１６のいずれか一項に記載のガス処理装置。
  18. 前記第１のガスまたは第２のガスの流通路の少なくとも一方に屈曲部を備えている、請求項２乃至１７のいずれか一項に記載のガス処理装置。
  19. 前記第１のガスを供給する第１ガス供給手段と、
    前記第２のガスを供給する第２ガス供給手段と、をさらに備え、
    前記第２ガス供給手段は、前記第１ガス供給手段により前記第１のガスが供給された時に対応させて前記第２のガスを供給することを特徴とする、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のガス処理装置。
  20. 燃料電池システムに利用される請求項１９に記載のガス処理装置であって、
    前記第１のガスが燃料電池システムから排出される水素ガスであり、前記第２のガスが当該水素ガスを希釈するための空気であって、
    前記第２流通路の容積が、燃料電池の低負荷動作時におけるパージガス量より小さく構成されているガス処理装置。

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