JP2005158523A - 希釈器及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素オフガスの希釈能力に優れた燃料電池システムを提案する。
【解決手段】 本発明の燃料電池システム（１０）は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池（２０）と、燃料電池（２０）から排気された水素オフガスが通流する経路上に直列に多配設された複数の希釈器（５１，５２）と、各々の希釈器（５１，５２）に導入された水素オフガスを混合希釈するための希釈エアを各々の希釈器（５１，５２）に供給するエア流路（３３，３４）を備えている。水素オフガスが複数の希釈器（５１，５２）を順次連続して通過するように構成することで水素オフガスの水素濃度を十分に低減できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は被希釈ガスを希釈ガスと混合して希釈する希釈器に関し、特に、燃料電池から排気される水素オフガスの水素濃度を十分に低減させるための改良技術に関する。

燃料電池システムをオンボード発電機として車両に搭載する場合、燃料ガスの燃費向上を図るために燃料電池から排気された水素オフガスを水素ポンプ又はエゼクタ等を用いて燃料電池に還流させるための水素循環系を採用する構成が知られている。このような水素循環系においては、循環水素を定期的にシステム外に排出することで、循環水素の水素濃度を適正な範囲に維持している。ところが、高濃度の水素オフガスを車外に排出すると、車外の路上等に何らかの火種が存在した場合、アフターバーン（後燃焼）のような瞬間的な燃焼が発生するため、好ましくない。特開２００３−１３２９１５号公報では、燃料電池システムからパージされた排気水素を希釈器に導入し、希釈エアと混合して水素濃度を低減する構成が提案されている。
特開２００３−１３２９１５号公報

ところで、希釈器の構成上、希釈濃度は排気水素量（パージ頻度）と、希釈エアの導入量によって決定される。希釈器の容積を大きくすれば、水素濃度が飽和するまでの時間は稼げるが、飽和した段階での水素濃度は希釈器の容積に関係なくほぼ一定濃度になる。ここで、図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ小容積と大容積の希釈器における水素濃度推移を示したものであり、水素濃度が濃度限界に達するまでのパージ時間（又は排気量）はそれぞれｔ１,ｔ２である。両者の濃度限界はほぼ同一であり、希釈容積の相違は濃度限界に達するまでの排気水素のパージ時間（又は排気量）の長短（又は大小）を定めるにすぎない。これは、希釈器の容積を変更しても、濃度限界（希釈能力）に変わりがないことを意味しており、従来の希釈器の構成では水素濃度を十分に低減できない場合がある。

更に、パージ配管に対して希釈器を並列に接続したとしても、パージされた水素を分流する必要があるため、ハードウエア構成上、均一に分流させることは困難である。仮に、圧力損失を考慮した配管径及び配管長を設定できたとしても、車両搭載上のスペースを考慮しなければならず、困難である。この場合、パージバルブを２個用意して排気水素の流量特性を半減することも考えられるが、部品点数が多くなる等の不都合が生じる。

そこで、本発明は上述の問題を解決し、被希釈ガスを十分に混合希釈できる希釈器を提案することを課題とする。また、本発明は燃料電池から排気された排気水素を十分に混合希釈できる希釈器及びこれを用いた燃料電池システムを提案することを課題とする。

上述の課題を解決するため本発明の希釈器は、被希釈ガスを希釈ガスと混合して希釈するための希釈器であって、被希釈ガスが通流する経路上に直列に配設された複数の希釈領域と、各々の希釈領域に導入された被希釈ガスを混合希釈するための希釈ガスを各々の希釈領域に導入するガス流入部を備えている。被希釈ガスが複数の希釈領域を連続して通過するように構成することで、被希釈ガス濃度を十分に低減できる。

本発明の希釈器は、燃料電池から排気された水素オフガスを希釈エアと混合して希釈するための希釈器であって、水素オフガスが通流する経路上に直列に配設された複数の希釈領域と、各々の希釈領域に導入された水素オフガスを混合希釈するための希釈エアを各々の希釈領域に導入するエア流入部を備えている。燃料電池から排気された水素オフガスが複数の希釈領域を連続して通過するように構成することで、水素オフガスの水素濃度を十分に低減できる。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池と、燃料電池から排気された水素オフガスが通流する経路上に直列に配設された複数の希釈器と、各々の希釈器に導入された水素オフガスを混合希釈するための希釈エアを各々の希釈器に供給するエア流路を備えている。燃料電池から排気された水素オフガスが複数の希釈器を連続して通過するように構成することで、水素オフガスの水素濃度を十分に低減できる。

複数の希釈器に供給される希釈エアとしては、例えば、燃料電池から排出される酸素オフガスの一部であることが望ましい。酸素オフガスの一部を希釈エアとして複数の希釈器に導くことで、システム構成を簡略化できる。

本発明によれば、被希釈ガスが複数の希釈領域を連続して通過するように構成することにより、被希釈ガス濃度を十分に低減できる。また、本発明によれば、燃料電池から排気された水素オフガスが複数の希釈領域又は希釈器を連続して通過するように構成することで、水素濃度を十分に低減できる。

［発明の実施形態１］
図１は本実施形態に関わる燃料電池システム１０の主要構成図である。
燃料電池システム１０は燃料電池電気自動車に搭載されて電力発電を行う発電装置として構成されており、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池２０を備えている。
燃料電池２０はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２では（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
尚、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５、及びカソードガスチャンネル２６から成る単セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したリブ付セパレータを介して複数の単セルが直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統にはカソードガスチャンネル２６に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路３１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するための酸素オフガス流路３２が配管されている。エアフィルタ６１を介して大気から取り込まれたエアは、モータ６３によって駆動されるエアコンプレッサ６２にて加圧された後、加湿器６４にて適度に過湿され、酸化ガス流路３１を経由してカソードガスチャンネル２６に流れ込む。加湿器６４では、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。酸素オフガス流路３２を流れる酸素オフガスは消音器６９を通過して車外に排気される。

一方、燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統にはアノードガスチャンネル２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードガスチャンネル２５から排気される水素オフガスを燃料ガス流路４１に還流させるための循環流路４２が配管されている。燃料ガス流路４１には水素供給装置７０からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁６５と、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ６６が配設されている。循環流路４２には循環ポンプ６７が配設されており、アノードガスチャンネル２５を通過する際に圧力損失を受けた水素オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧し、燃料ガス流路４１に還流させている。

循環流路４２には循環水素に含まれる水素以外の成分濃度が高くなった時点で水素オフガスの一部を循環流路４２から車外にパージするための排気通路４３が分岐配管されている。水素オフガスのパージ量は水素排気バルブ６８によって調整できるように構成されている。排気通路４３の経路上には、水素オフガス（被希釈ガス）と酸素オフガス（希釈エア）を混合希釈することによって、水素オフガスの水素濃度を低減するための複数の希釈器５１，５２が水素オフガスの通流経路に沿って直列に多段設置されている。希釈器５１の被希釈ガス流入部５１ａは排気通路４３に連通しており、燃料電池２０からパージされた水素オフガスを、希釈器５１の内部に画成された希釈室（希釈領域）５１ｄに導いている。酸素オフガス流路３２には、希釈器５１の希釈エア流入部５１ｃに連通する希釈ガス流路（エア分流路）３３が分岐配管されており、酸素オフガス流路３２を流れる酸素オフガスの一部を希釈エアとして希釈室５１ｄに導いている。希釈室５１ｄでは、循環流路４２からパージされた水素オフガスと、酸素オフガス流路３２から分流した希釈エアが混合希釈され、水素濃度が低減される。

希釈器５２の被希釈ガス流入部５２ａは排気通路４３を介して希釈器５１の被希釈ガス流出部５１ｂに連通しており、希釈器５１を通過した水素オフガスを希釈器５２の内部に画成された希釈室（希釈領域）５２ｄに導いている。酸素オフガス流路３２には希釈器５２の希釈エア流入部５２ｃに連通する希釈ガス流路（エア分流路）３４が分岐配管されており、酸素オフガス流路３２を流れる酸素オフガスの一部を希釈エアとして希釈室５２ｄに導いている。希釈室５２ｄでは、希釈器５１を通過する過程において水素濃度がある濃度範囲まで低減された水素オフガスと、酸素オフガス流路３２から分流した希釈エアが混合希釈され、水素濃度がより一層低減される。希釈器５２の希釈ガス流出部５２ｂは排気通路４３を介して酸素オフガス流路３２の下流に連通しており、希釈器５２から流出する水素オフガスを、酸素オフガス流路３２を流れる酸素オフガスとともに車外に排気している。

本実施形態によれば、水素オフガスが通流する経路に沿って複数の希釈器５１，５２を直列に多段設置し、水素オフガスが複数の希釈器５１，５２を順次連続して通過するように構成したため、排気水素濃度を段階的に低減することが可能となり、排気水素濃度を十分に低減させることが可能となる。

尚、本実施形態において、水素オフガスが通流する経路に沿って複数の希釈器を直列に多段設置する構成であれば、個々の希釈器の容積や、希釈器の設置数等は任意に設定可能である。また、希釈器５１，５２に供給される希釈エアとして、必ずしも酸素オフガスの一部を利用する必要はなく、例えば、車外から別途導入した加圧エアを希釈エアとして供給してもよい。

［発明の実施形態２］
図２は本実施形態に関わる燃料電池システム１１の主要構成図である。
図１に示した実施形態１の構成と同一符号の装置等については同一装置等を示すものとし、その詳細な説明を省略する。
本実施形態では、実施形態１で示した複数の希釈器５１，５２を単一の希釈器８０に置き換えた構成としている。希釈器８０は燃料電池２０からパージされた水素オフガスが通流する経路に沿って直列に多段設置された複数の希釈室８１，８２を備えている。前段の希釈室８１には、排気通路４３を流れる水素オフガスを導入するための被希釈ガス流入部８１ａと、希釈エアと混合希釈された水素オフガスを排出するための被希釈ガス流出部８１ｂと、希釈室８１内に希釈エアを導入するための希釈エア流入部８１ｃが形成されている。後段の希釈室８２には、前段の希釈室８１である濃度範囲まで希釈化された水素オフガスを導入するための被希釈ガス流入部８２ａと、希釈エアと混合希釈された水素オフガスを排気通路４３に排出するための被希釈ガス流出部８２ｂと、希釈室８２内に希釈エアを導入するための希釈エア流入部８２ｃが形成されている。希釈ガス流出部８１ｂと希釈ガス流入部８２ａはガス連通部８３を介して通気可能な構成を有している。希釈エア流入部８１ｃ，８２ｃは希釈ガス流路（エア分流路）３３，３４に連通しており、酸素オフガス流路３２から分流した酸素オフガスの一部を希釈エアとして、希釈室８１，８２に導いている。

本実施形態によれば、水素オフガスを希釈する希釈器８０内に複数の希釈室８１，８２を設置し、水素オフガスが通流する経路に沿ってこれら複数の希釈室８１，８２を直列に多段設置する構成としたため、排気水素濃度を段階的に低減することが可能となり、排気水素濃度を十分に低減させることが可能となる。

尚、本実施形態において、水素オフガスが通流する経路に沿って複数の希釈室を希釈器内に直列に多段設置する構成であれば、個々の希釈室の容積や、希釈室の設置数等は任意に設定可能である。また、水素オフガスの通流経路に沿って直列に多段設置された複数の希釈室を備えた希釈器を直列に多段設置する構成としてもよい。また、希釈室８１，８２に供給される希釈エアとして、必ずしも酸素オフガスを利用する必要はなく、車外から別途導入した加圧エアを希釈エアとして供給してもよい。また、上述した各実施形態では燃料電池２０から排気された水素オフガスを希釈する構成を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、任意の被希釈ガスを希釈ガスと混合希釈する場合に適用できる。

第１実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。 第２実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。 希釈器の水素濃度推移を示す図である。

符号の説明

１０，１１…燃料電池システム ２０…燃料電池 ４１…燃料ガス流路 ４２…循環流路 ４３…排気通路 ５１，５２，８０…希釈器 ８１，８２…希釈室

Claims (4)

1. 被希釈ガスを希釈ガスと混合して希釈するための希釈器であって、
   前記被希釈ガスが通流する経路上に直列に配設された複数の希釈領域と、
   各々の希釈領域に導入された被希釈ガスを混合希釈するための希釈ガスを前記各々の希釈領域に導入するガス流入部を備えた、希釈器。
2. 燃料電池から排気された水素オフガスを希釈エアと混合して希釈するための希釈器であって、
   前記水素オフガスが通流する経路上に直列に配設された複数の希釈領域と、
   各々の希釈領域に導入された水素オフガスを混合希釈するための希釈エアを前記各々の希釈領域に導入するエア流入部を備えた、希釈器。
3. 燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排気された水素オフガスが通流する経路上に直列に配設された複数の希釈器と、
   各々の希釈器に導入された水素オフガスを混合希釈するための希釈エアを前記各々の希釈器に供給するエア流路を備えた、燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記希釈エアは前記燃料電池から排出される酸素オフガスの一部である、燃料電池システム。
   
   
   

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