JP2006318821A - 排出ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下においても希釈性能を確保して信頼性を高めることができるとともに、希釈ガスを供給する機器への負担を低減することができる排出ガス処理装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１のアノード３から排出されるアノードオフガス導入路２２が希釈室に接続されるとともに、燃料電池１のカソード４にカソードガスを供給するカソードガス供給路８から分岐して前記燃料電池１をバイパスするバイパス路２４が前記希釈室に接続され、前記希釈室５１内のアノードオフガスを、前記燃料電池１の運転中に前記バイパス路２４から供給されるカソードガスの少なくとも一部と混合希釈して前記希釈室内から排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池から排出されるガスを希釈処理する排出ガス処理装置に関するものである。

燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るものがある。この種の燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）を供給して、これら反応ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この燃料電池では、発電に伴ってカソード側で水が生成され、この生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側にも浸入する。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入する。アノード側におけるこれら水分や窒素等の不純物は、燃料電池の発電を不安定にする虞がある。

特に、燃料の利用率を上げるために燃料電池から排出される未反応の水素（アノードオフガス）をリサイクルさせて新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する循環型の燃料電池システムでは、アノード側の前記不純物濃度が徐々に高まる傾向にある。
そこで、この種の燃料電池では、アノードオフガスが循環するアノードオフガス循環路から定期的に排出弁を開放して前記不純物を含むアノードオフガスを排出し、アノードオフガス中の不純物濃度を低減させている。

このアノードオフガス循環路から排出されるアノードオフガスを外部（大気）に排出する際には、排出ガス処理装置によって、希釈ガス（例えば、カソードから排出されるカソードオフガスとしての空気）で前記アノードオフガスを希釈し、水素濃度を低減してから排出している。
特許文献１には従来の排出ガス処理装置の一例が開示されている。この排出ガス処理装置では、カソードオフガスを分岐して希釈器に導入して希釈器内のアノードガスを少量ずつ希釈して、少量ずつ車外に排出している。
また、特許文献２には、収容器内のアノードオフガスの流出を抑制する抑制手段を設置する技術が提案されている。
特開２００２−２８９２３７号公報 特開２００４−６１８３号公報

ところで、循環型の燃料電池システムにおいては、アノードオフガスが間欠的に排出されるのに対し、カソードオフガスは連続的に排出される。従って、従来のようにカソードオフガスを希釈ガスとして使用する場合には、排出ガス処理装置の上流側に導入されたアノードオフガスが、排出ガス処理装置の上流側からカソードオフガス導入流路に短絡してしまう虞がある。その結果、排出ガス処理装置の希釈性能を十分に発揮できない虞がある。

また、カソードオフガスには生成水が含まれるため、カソードオフガスを排ガス処理装置内に導入する管が生成水の凝縮により閉塞されてカソードオフガスの供給量が低下してしまう場合がある。そして、さらなる低温環境下においては、凝縮した生成水が凍結して管路が遮断されてしまう虞がある。

さらに、特許文献１に記載のものと同様の技術においては、分岐流路に希釈ガスを導入するために、カソードオフガス流路部に圧損部が設けられているので、カソードガスを供給するコンプレッサの出力をカソードオフガスの圧損を加味して設定する必要がある。その結果、コンプレッサに要求される負担が増大してしまい、コンプレッサの大型化を招いてコスト高やレイアウトの自由度を損ない、さらに、コンプレッサの寿命を低減させてしまうという問題がある。
本発明は、低温環境下においても希釈性能を確保して信頼性を高めることができるとともに、希釈ガスを供給する機器への負担を低減することができる排出ガス処理装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス導入路（例えば、実施の形態におけるアノードオフガス排出路２２）が希釈室（例えば、実施の形態における希釈容器５１）に接続されるとともに、燃料電池のカソードにカソードガスを供給するカソードガス供給路（例えば、実施の形態における空気供給路８）から分岐して前記燃料電池をバイパスするバイパス路（例えば、実施の形態における希釈用流路２４）が前記希釈室に接続され、前記希釈室内に、前記燃料電池の運転中に前記バイパス路から供給されるカソードガスを導入し前記希釈室内から排出することを特徴とする。

この発明によれば、前記燃料電池の運転中に供給されるカソードガスを、前記燃料電池を介さずに前記バイパス路により前記希釈室に希釈ガスとして直接供給できるので、前記燃料電池を通過することによる圧損を発生させずに前記アノードオフガスに対して相対的に高圧な状態で前記希釈室に導入することができる。従って、循環型の燃料電池システムにおいてアノードオフガスが間欠的に供給される場合であっても、前記アノードオフガスが前記バイパス路内を逆流したり、前記バイパス路からのカソードガスの流入を抑制することを防止でき、前記希釈室内の所定の流路を流通させることができる。加えて、前記カソードガスが前記アノードオフガスに対して相対的に高圧であるので、前記希釈室内でアノードオフガスと混合する際に、カソードガスの拡散作用によりアノードオフガスとの混合や希釈を促進することができる。また、カソードガスには、燃料電池の発電による生成水が含まれておらず、上述のようにアノードオフガスの逆流を抑制できるので、前記バイパス流路に水分が凝縮して閉塞したり、低温環境下で凍結することを防止することができる。加えて、カソードオフガス流路には特に圧損の原因となる部位は形成されていない。これに対し、燃料電池の上流側（高圧側）から、燃料電池下流側（低圧側）にカソードオフガスが圧力差により導入できるため、希釈ガスであるカソードガスを供給する機器（例えば、実施の形態におけるコンプレッサ７）への負担を低減することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記燃料電池の上流側から前記希釈器にカソードガスを供給する掃気路（例えば、実施の形態における掃気用流路２６）の少なくとも一部に、前記バイパス路から分岐して形成された部位を有し、前記掃気路は、前記部位の内径を前記バイパス路よりも大きく形成されるとともに、前記部位に弁（例えば、実施の形態における開閉弁２７）を設置していることを特徴とする。

この発明によれば、前記掃気路における内径が相対的に大きい部位を介して、前記希釈室にカソードガスを大流量で供給することができる一方、前記内径が相対的に小さいバイパス路を介して、前記希釈室にカソードガスを高圧状態で供給してアノードオフガスと効率よく混合し希釈することができるので、それぞれの処理を効率的に行うことができる。また、前記バイパス路の内径を相対的に小さく形成しているので、燃料電池運転時の希釈に要するカソードガスの流量制御が容易になる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記バイパス路には流量制限手段（例えば、実施の形態におけるオリフィス２５）が設けられていることを特徴とする。
この発明によれば、前記流量制限手段を用いることで、希釈用のカソードガスの流量を容易に制御することが可能となる。

請求項１に係る発明によれば、低温環境下においても希釈性能を確保して信頼性を高めることができるとともに、希釈ガスであるカソードガスを供給する機器への負担を低減することができる

請求項２に係る発明によれば、希釈処理と掃気処理のそれぞれを効率的に行うことができる。また、燃料電池運転時の希釈に要するカソードガスの流量制御が容易になる。
請求項３に係る発明によれば、希釈用のカソードガスの流量を容易に制御することが可能となる。

以下、この発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置の実施例を図１から図４の図面を参照して説明する
図１は、この発明に係る排出ガス処理装置を備えた燃料電池システムの概略構成図であり、この実施例では燃料電池車両に搭載されている。
燃料電池１は、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２をアノード３とカソード４とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており（図１では単セルのみを示す）、アノード３に燃料ガスとして水素ガス（反応ガス）を供給し、カソード４に酸化剤ガスとして酸素（反応ガス）を含む空気を供給すると、アノード３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過してカソード４まで移動して、カソード４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。

空気はスーパーチャージャー（Ｓ／Ｃ）などのコンプレッサ７により、空気供給路８を通って燃料電池１のカソード４に所定量供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出路９に排出され、圧力制御弁１０を介して外部に排出される。なお、空気の圧力は圧力制御弁１０の開度により、所定圧力に加圧される。

一方、水素タンク１５から供給される水素ガスは水素ガス供給路１７を流通し、その途中でレギュレータ１６によって所定圧力に減圧され、流量制御弁２３により所定流量に制御され、エゼクタ１９を通って燃料電池１のアノード３に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス路１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池１のアノード３に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス路１８、およびエゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給路１７を通って、燃料電池１を循環する。なお、この実施例において、エゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給路１７とアノードオフガス路１８は燃料ガス循環路２０を構成する。

アノードオフガス路１８からは、排出弁２１を備えたアノードオフガス排出路２２が分岐しており、アノードオフガス排出路２２は排出ガス処理装置５０に接続されている。一方、空気供給路８からは、コンプレッサ７の下流側で分岐して燃料電池１をバイパスするように形成された希釈用流路２４が分岐しており、希釈用流路２４は排出ガス処理装置５０に接続されている。この排出ガス処理装置５０において、アノードオフガス排出路２２から排出されたアノードオフガスは、希釈用流路２４から供給されるカソードガスによって一部混合希釈されながら押し出され、混合ガス排出路３０を介してシステム外部へ排出される。

また、排出ガス処理装置５０内のアノードガスを掃気するためにカソードガスを供給する掃気用流路２６が希釈用流路２４から分岐して形成されている。この掃気用流路２６は、希釈用流路２４から分岐した部位の内径を希釈用流路２４よりも大きく形成されており、掃気処理のタイミングに応じて開閉される開閉弁（掃気弁）２７を設置している。
また、希釈用流路２４には、掃気用流路２６と別に形成された部位にオリフィス２５が形成され、このオリフィス２５により希釈用流路２４を流れるカソードガスの流量を制限している。

燃料電池１の発電で得られた電力は車両駆動用モータ（図示略）などの負荷に供給される。
また、コンプレッサ７の回転数、圧力制御弁１０および流量制御弁２３の開度、排出弁２１、掃気弁（開閉弁）２７の開閉は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）４０により制御される。

このように構成された燃料電池システムにおいては、連続運転をしていると、前述したように燃料ガス循環路２０を流通する水素ガス中の不純物（水分や窒素など）の濃度が高まってきて燃料電池１の発電が不安定になる場合がある。
そのため、この燃料電池システムでは、ＥＣＵ４０により、燃料電池システムが一定時間連続運転したと判断されたとき、あるいは、燃料電池１の発電の安定性が低下したと判断されたときに、不純物排出要求ありと判断して排出弁２１を開き、不純物を含むアノードオフガスをアノードオフガス路１８からアノードオフガス排出路２２を介して排出ガス処理装置５０に排出し、燃料電池１のアノード３を流通する水素ガス中の不純物濃度を所定値以下となるように管理して、燃料電池１の発電を安定した状態に保持する。

次に、排出ガス処理装置５０の構成を図２から図３の図面を参照して詳述する。排出ガス処理装置５０は、密閉筒状の希釈容器５１を備えている。希釈容器５１は、その軸心を略水平方向に沿わせた姿勢で車両に設置されており、軸心方向の全長に亘って、軸心方向に直交する断面形状が同一の楕円形をなし、その楕円の長軸が鉛直方向に配されている。
換言すると、希釈容器５１は、その軸心を略水平姿勢に設置されていて、軸心方向に対し直交する断面形状は、その閉断面の全周に亘って外側に凸曲状をなす曲線で構成されている。

希釈容器５１の軸心方向一端側の端板５１ａには、軸心を希釈容器５１の軸心よりも若干下方において水平姿勢に配置されたアノードオフガス導入管（アノードオフガス導入路）５２が貫通固定されている。希釈容器５１内に挿入されたアノードオフガス導入管５２の先端は斜めにカットされてアノードオフガス放出孔５２ａにされている。アノードオフガス放出孔５２ａはその開口を斜め上方に指向させている。このアノードオフガス導入管５２の基端にアノードオフガス排出路２２が接続されており、排出弁２１が開いたときにアノードオフガスがアノードオフガス放出孔５２ａから希釈容器５１内に導入される。

また、希釈容器５１の内部には、アノードオフガス導入管５２の先端よりも前方であって希釈容器５１の軸心方向略中央に、仕切板５３が略鉛直姿勢に固定されている。仕切板５３は楕円の上部を切り欠いた形状をなし、その切欠部５３ａを除いて希釈容器５１の内面に密接して固定されている。希釈容器５１内は仕切板５３によって、アノードオフガス導入管５２に連通する上流室５４と、後述する混合ガス排出孔６１に連通する下流室５５に区画され、切欠部５３ａよりも上側は上流室５４と下流室５５とを連通する連通ガス路５６となる。
仕切板５３の切欠部５３ａは希釈容器５１の軸心よりも十分上方に位置しており、アノードオフガス導入管５２の軸心延長上にも仕切板５３が存在する。したがって、図３に示すように、アノードオフガス放出孔５２ａから放出されるアノードオフガスの多くは仕切板５３に向かって放出されることとなり、一部がアノードオフガス放出孔５２ａから斜め上方に放出されることとなる。

さらに、希釈容器５１には、軸心方向一端側の端板５１ａから他端側の端板５１ｂに貫通するように、希釈容器５１の内面の最下部（内底部）に沿って空気排出流路９が配設されている。空気排出流路９は仕切板５３をも貫通している。空気排出流路９は、他端側の端板５１ｂ側に形成された混合ガス排出孔６１および排液孔６０を除き、希釈容器５１と隔絶された状態で希釈容器５１内に配設されている。このように構成することで、希釈容器５１に導入されたアノードオフガスが、希釈容器５１内の上流側（一端側の端板５１ａ側）で空気排出流路９に合流することを防止している。そして、空気排出流路９の、混合ガス排出孔６１から混合ガス排出路３０を介して外部に排出される。

さらに、空気排出流路９には、上流室５４と下流室５５のそれぞれに収容されている部分に、排液孔６０が複数設けられ、希釈容器５１内の生成水は、これら排液孔６０を介して空気排出流路９から外部に排出される。

また、空気排出流路９において下流室５５内に収容されている部分には、排液孔６０よりも下流側であって端板５１ｂの近傍に、混合ガス排出孔６１が設けられ、この混合ガス排出孔６１を介して下流室５５内のガスが希釈容器５１の下流側で空気排出流路９に導入されて、混合ガス排出路３０を介して外部に排出される。

次に、この排出ガス処理装置５０の作用を説明する。
この排出ガス処理装置では、コンプレッサ７から燃料電池１のカソード４に空気を供給して燃料電池１を運転している間は常時、希釈用流路２４を介して排出ガス処理装置５０に導入される。このとき、掃気弁２７は閉状態となっており、掃気用流路２６の流通は遮断されている。

一方、アノードオフガスは、前述したように、ＥＣＵ４０が不純物排出要求ありと判断したときに排出弁２１が開いて、アノードオフガス路１８から排出され、アノードオフガス排出路２２を介して排出ガス処理装置５０のアノードオフガス導入管５２に導入され、アノードオフガス放出孔５２ａから上流室５４内に放出される。

したがって、アノードオフガス放出孔５２ａから上流室５４にアノードオフガスが放出されていないとき（すなわち、排出弁２１が閉じているとき）には、希釈容器５１内の圧力は殆ど上昇しないが、排出弁２１が開いてアノードオフガス放出孔５２ａから上流室５４にアノードオフガスが放出されたときには急激に希釈容器５１の内圧が高まる。すなわち、アノードオフガスの排出周期に合わせて、希釈容器５１内の圧力変化がある。

本実施例においては、燃料電池１の運転中に供給されるカソードガスを、燃料電池１を介さずに希釈用流路２４により希釈容器５１に希釈ガスとして直接供給できる。よって、燃料電池１を通過することによる圧損を発生させずに前記アノードオフガスに対して相対的に高圧な状態で前記希釈室に導入することができる。従って、希釈容器５１内に導入されたアノードオフガスが希釈用流路２４内を逆流したり、希釈用流路２４からのカソードガスの流入を抑制することを防止でき、前記希釈容器５１の所定の流路を流通させることができる。加えて、前記カソードガスが前記アノードオフガスに対して相対的に高圧であるので、前記希釈容器５１内でアノードオフガスと混合する際に、カソードガスの拡散作用によりアノードオフガスとの混合や希釈を促進することができる。

また、この実施例における希釈容器５１は、軸心方向に対し直交する断面形状が、その閉断面の全周に亘って外側に凸曲状をなす曲線（楕円）で構成されているので、希釈容器５１は内圧に対しても、希釈容器の呼吸による変形（繰り返し応力）に対しても、極めて機械的強度（耐圧強度）が高く、特別な補強構造なしで十分に耐えることができる。そして、特別な補強構造が必要ないので、排出ガス処理装置５０の製造も容易になる。

アノードオフガス放出孔５２ａから放出されたアノードオフガスは、図３に示すように、仕切板５３に衝突して流れの向きを変え、且つ、仕切板５３に衝突することによって流速を低下させ、適度な流速で上流室５４内のほぼ全体に広がっていく。これにより、上流室５４内においてアノードオフガスは排出空気と一部混合されながら、連通ガス路５６を通って下流室５５へ流入し、混合ガス排出孔６１へ向かって流れていく。この間にも上流室５４から流入する混合ガスと下流室５５内のガスとの混合がさらに行われる。そして、下流室５５のガスは混合ガス排出孔６１から空気排出流路９に排出されて排出空気と混合され、さらに希釈されて混合ガス排出路３０から燃料電池システムの外部に排出される。

この実施例では、仕切板５３を設けたことにより希釈容器５１内でのガスの移動距離を長くすることができる。さらに、混合ガス排出孔６１を希釈容器５１における軸心方向の下流側端部近傍に配置したことによっても、希釈容器５１内でのガスの移動距離を長くすることができる。その結果、希釈容器５１内でのガスの滞留時間を稼ぐことができ、希釈に必要な時間を確保することができるので、アノードオフガスを確実に希釈排出することができる。

また、上述のように、希釈用流路２４へのアノードオフガスの逆流を抑制できるので、希釈用流路２４に水分が凝縮して閉塞したり、低温環境下で凍結することを防止することができる。加えて、希釈用流路２４には特に圧損の原因となる部位は形成されていないので、カソードガスを供給するコンプレッサ７への負担を低減することができる。

また、この実施例においては、混合ガス排出孔６１、排液孔６０がいずれも希釈ガス管５７に直接設けられているので、排出ガス処理装置の構造が簡単になる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、掃気用流路２６と希釈用流路２４とを別々に形成しているが、図４に示すように、掃気用流路２６と希釈用流路２４とを一部共用させてもよい。この場合において、同図のように、別々に形成した部位にそれぞれオリフィス２５や開閉弁２７を設けると、掃気処理や希釈処理を行うにあたり、それぞれの処理を効率的に行うことができる点で好ましい。
また、希釈容器の断面を楕円形にしているが、円形にすることも可能である。
また、希釈ガス放出孔、混合ガス排出孔、排液孔を希釈ガス路に直接設けず、希釈ガス路から分岐した分岐管にこれらの孔を設けることも可能である。
また、本実施例においては、仕切板は１枚のみであったが、これを複数枚にし、たとえば互い違いに配置してもよい。この場合、複数の仕切板のうち一部の仕切板が上流室、下流室を形成し、上流室と下流室を連通する箇所が連通ガス路となる。
また、前述した実施例では、希釈容器の内部に仕切板を設けたが、仕切板がなくてもこの発明は成立する。

この発明に係る排出ガス処理装置を備えた燃料電池システムの概略構成図である。 実施例における排出ガス処理装置の斜視図である。 前記排出ガス処理装置の断面図である。 図１に示す燃料電池システムの変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

１…燃料電池
３…アノード
７…コンプレッサ
８…空気供給路（カソードガス供給路）
２２…アノードオフガス排出路（アノードオフガス導入路）
２４…バイパス路（希釈用流路）
２５…オリフィス（流量制限手段）
２６…掃気用流路（掃気路）
２７…開閉弁（弁）
５０…排出ガス処理装置
５１…希釈容器（希釈室）
５２…アノードオフガス導入管（アノードオフガス導入路）
５７…希釈ガス管（希釈ガス路）

Claims (3)

1. 燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス導入路が希釈室に接続されるとともに、
   燃料電池のカソードにカソードガスを供給するカソードガス供給路から分岐して前記燃料電池をバイパスするバイパス路が前記希釈室に接続され、
   前記希釈室内に、前記燃料電池の運転中に前記バイパス路から供給されるカソードガスを導入し前記希釈室内から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。
2. 前記燃料電池の上流側から前記希釈器にカソードガスを供給する掃気路の少なくとも一部に、前記バイパス路から分岐して形成された部位を有し、
   前記掃気路は、前記部位の内径を前記バイパス路よりも大きく形成されるとともに、前記部位に弁を設置していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
3. 前記バイパス路には流量制限手段が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
   
   

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