JP2007012335A - Hydrogen gas dilution device for fuel cell - Google Patents

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英雄 沼田
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伸高 中島
Masahiro Matsutani
正博 松谷
Shujiro Nozaki
周治郎 野崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen gas dilution device capable of preventing exhaust of high concentration hydrogen gas while energy consumption in an air supply system of the fuel cell is reduced. <P>SOLUTION: The hydrogen gas dilution device 1 is equipped with a storage chamber 11 storing hydrogen gas (hydrogen gas to be purged) exhausted from the fuel cell, a dilution gas introduction means (an air supply system) introducing dilution gas (air off-gas) for diluting hydrogen gas exhausted from the storage chamber 11, and a flow rate adjusting means 13 making the amount of hydrogen gas exhausted from the storage chamber 11 variable according to the flow rate of the dilution gas. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の排出燃料である水素ガスを希釈するための水素ガス希釈装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen gas diluting device for diluting hydrogen gas, which is fuel discharged from a fuel cell.

一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜(PEM膜)を挟んで一側にカソードを設け、他側にアノードを設けて構成された単セルを積層したスタックからなり、カソードに供給される空気中の酸素と、アノードに供給される燃料ガス中の水素ガスとの電気化学反応によって発電する。そして、アノードから排出される未反応の水素ガスは、循環させて発電に再利用される。その一方で、循環する水素ガスに所定量以上の不純物が蓄積しないように、水素ガスの循環経路に設けられたパージ弁が開かれて、水素ガスは不純物とともにパージされる。   In general, a fuel cell consists of a stack in which a single cell is configured with a cathode on one side and an anode on the other side with a proton conductive polymer electrolyte membrane (PEM membrane) in between, and is supplied to the cathode Electricity is generated by an electrochemical reaction between oxygen in the air to be produced and hydrogen gas in the fuel gas supplied to the anode. The unreacted hydrogen gas discharged from the anode is circulated and reused for power generation. On the other hand, the purge valve provided in the circulation path of the hydrogen gas is opened so that the hydrogen gas is purged together with the impurities so that no more than a predetermined amount of impurities accumulate in the circulating hydrogen gas.

従来、パージされた水素ガスを、カソードから排出される空気オフガスで希釈してから大気中に放出する水素ガス希釈装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この水素ガス希釈装置では、大気中に放出される水素ガスの濃度が可燃範囲を考慮した所定の限界値を超えないように、空気オフガスの流量が水素ガスのパージの際に増加するように制御されている。
特開2002−289237号公報(段落0020参照)
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a hydrogen gas diluting apparatus that dilutes purged hydrogen gas with air off-gas discharged from a cathode and then releases the purged gas into the atmosphere (see, for example, Patent Document 1). In this hydrogen gas dilution device, the flow rate of the air off gas is controlled to increase when purging the hydrogen gas so that the concentration of the hydrogen gas released into the atmosphere does not exceed a predetermined limit value considering the flammable range. Has been.
JP 2002-289237 A (see paragraph 0020)

しかしながら、従来の水素ガス希釈装置では、水素ガスをパージするタイミングと、空気オフガスの流量を増加させるタイミングとを同期させることによって、水素ガスの排出量に対して空気オフガスの排出量を意図的に調節する必要があった。したがって、水素ガスをパージする際には、燃料電池が本来発電に要する空気に加えて希釈に要する空気をも燃料電池に供給しなければならないために、例えば、コンプレッサ等の空気供給系での消費エネルギが増大するという問題があった。   However, in the conventional hydrogen gas dilution apparatus, the amount of air off gas discharged is intentionally set to the amount of hydrogen gas discharged by synchronizing the timing of purging hydrogen gas and the timing of increasing the flow rate of air off gas. There was a need to adjust. Therefore, when purging hydrogen gas, in addition to the air that the fuel cell originally requires for power generation, the air that is required for dilution must be supplied to the fuel cell. There was a problem of increased energy.

そこで、本発明は、燃料電池の空気供給系での消費エネルギを低減しながらも、高濃度の水素ガスが排出されることを防止することができる燃料電池の水素ガス希釈装置を提供することを課題とする。   Accordingly, the present invention provides a hydrogen gas dilution device for a fuel cell that can prevent high-concentration hydrogen gas from being discharged while reducing energy consumption in the air supply system of the fuel cell. Let it be an issue.

前記課題を解決する本発明の燃料電池の水素ガス希釈装置は、燃料電池から排出される水素ガスを貯留する貯留室と、前記貯留室から排出される水素ガスを希釈する希釈ガスを導入する希釈ガス導入手段と、前記希釈ガスの流量に応じて前記貯留室から排出される水素ガスの量を可変にする流量調整手段とを備えたことを特徴とする。
この水素ガス希釈装置では、燃料電池から排出された水素ガスが貯留室に一旦貯留される。そして、貯留室から排出される水素ガスは、希釈ガス導入手段で導入された希釈ガスによって希釈される。この際、流量調整手段は、希釈ガスの流量に応じて貯留室から排出される水素ガスの量を可変にする。つまり、流量調整手段は、希釈ガスの流量が小さい場合には、貯留室から排出される水素ガスの量を少なくし、逆に、希釈ガスの流量が大きい場合には、貯留室から排出される水素ガスの量を多くする。したがって、この水素ガス希釈装置は、燃料電池から排出された水素ガスが高濃度のままで排出されることを防止する。
そして、この水素ガス希釈装置は、従来の水素ガス希釈装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、排出される水素ガス(例えば、パージ水素ガス)の量に応じて希釈ガスの流量を大きくするものではないので、希釈ガス導入手段における消費エネルギの増大は回避される。
A hydrogen gas diluting device for a fuel cell according to the present invention that solves the above problems includes a storage chamber for storing hydrogen gas discharged from the fuel cell, and a dilution for introducing a dilution gas for diluting the hydrogen gas discharged from the storage chamber It is characterized by comprising gas introducing means and flow rate adjusting means for varying the amount of hydrogen gas discharged from the storage chamber in accordance with the flow rate of the dilution gas.
In this hydrogen gas dilution device, the hydrogen gas discharged from the fuel cell is temporarily stored in the storage chamber. And the hydrogen gas discharged | emitted from a storage chamber is diluted with the dilution gas introduce | transduced by the dilution gas introduction means. At this time, the flow rate adjusting means makes the amount of hydrogen gas discharged from the storage chamber variable according to the flow rate of the dilution gas. That is, the flow rate adjusting means reduces the amount of hydrogen gas discharged from the storage chamber when the flow rate of the dilution gas is small, and conversely, when the flow rate of the dilution gas is large, the flow rate adjusting means is discharged from the storage chamber. Increase the amount of hydrogen gas. Therefore, this hydrogen gas dilution device prevents the hydrogen gas discharged from the fuel cell from being discharged at a high concentration.
And this hydrogen gas dilution apparatus differs from the conventional hydrogen gas dilution apparatus (for example, refer patent document 1), and makes the flow volume of dilution gas large according to the quantity of the hydrogen gas (for example, purge hydrogen gas) discharged | emitted. Therefore, an increase in energy consumption in the dilution gas introduction means is avoided.

また、このような水素ガス希釈装置においては、前記希釈ガス導入手段が、燃料電池の空気供給手段であってもよい。
この水素ガス希釈装置は、燃料電池の出力を上げる場合に、空気供給手段から燃料電池に供給する空気の量を増加させる。その結果、燃料電池からの空気オフガス(希釈ガス)の流量は大きくなる。そして、流量調整手段は、貯留室から排出される水素ガスの量を大きくするので、燃料電池から排出される水素ガスは、効率良く希釈される。逆に、燃料電池の出力を下げる場合には、空気供給手段から燃料電池に供給される空気の量は減少する。そして、流量調整手段が貯留室から排出される水素ガスの量を小さくするので、燃料電池から排出された水素ガスが高濃度のままで排出されることを防止する。
また、この水素ガス希釈装置は、従来の水素ガス希釈装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、水素ガスの排出量に応じて空気オフガスの流量を意図的に大きくする必要がないので、空気供給手段で燃料電池に供給する空気の量を多くする必要もない。したがって、この水素ガス希釈装置は、従来の水素ガス希釈装置と比較して、燃料電池の運転時に安定した発電制御を行うことができる。
Further, in such a hydrogen gas dilution apparatus, the dilution gas introducing means may be an air supply means of a fuel cell.
This hydrogen gas dilution device increases the amount of air supplied from the air supply means to the fuel cell when the output of the fuel cell is increased. As a result, the flow rate of the air off gas (dilution gas) from the fuel cell increases. And since a flow volume adjustment means enlarges the quantity of the hydrogen gas discharged | emitted from a storage chamber, the hydrogen gas discharged | emitted from a fuel cell is diluted efficiently. Conversely, when the output of the fuel cell is lowered, the amount of air supplied from the air supply means to the fuel cell decreases. Since the flow rate adjusting means reduces the amount of hydrogen gas discharged from the storage chamber, the hydrogen gas discharged from the fuel cell is prevented from being discharged at a high concentration.
In addition, unlike the conventional hydrogen gas diluting device (see, for example, Patent Document 1), this hydrogen gas diluting device does not need to intentionally increase the flow rate of the air off gas according to the amount of hydrogen gas discharged. There is no need to increase the amount of air supplied to the fuel cell by the air supply means. Therefore, this hydrogen gas dilution device can perform stable power generation control during operation of the fuel cell, as compared with a conventional hydrogen gas dilution device.

また、このような水素ガス希釈装置においては、前記燃料電池から排出される水素ガスを再び前記燃料電池に循環させる循環経路にパージ弁が設けられており、このパージ弁から排出される水素ガスを前記希釈ガスで希釈するものであってもよい。
この水素ガス希釈装置では、燃料電池から排出された未反応の水素ガスが、循環経路を介して燃料電池に戻されることによって、発電に再利用される。その一方で、循環する水素ガスに所定量以上の不純物が蓄積しないように、パージ弁が開かれて、水素ガスは不純物とともにパージされる。そして、パージされた水素ガスは、貯留室に一旦貯留された後に貯留室から排出される際に、その排出量が、流量調整手段によって希釈ガスの流量に応じた量に調整される。その結果、この水素ガス希釈装置では、貯留室内に水素ガスが残っていても、パージによってその水素ガスが貯留室から不測に押し出されることが避けられる。そのため、パージの制御において、高濃度の水素ガスが排出されないようにするためのパージ制限、例えば、必要なパージ間隔を設定しなければならないという制限や、パージ量を規定しなければならないという制限が緩和される。したがって、この水素ガス希釈装置によれば、排出される水素ガスの濃度に特に注意を払うことなく、発電維持に必要な水素ガスのパージが可能となる。
Further, in such a hydrogen gas dilution device, a purge valve is provided in a circulation path for circulating the hydrogen gas discharged from the fuel cell to the fuel cell again, and the hydrogen gas discharged from the purge valve is It may be diluted with the dilution gas.
In this hydrogen gas diluting device, unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell is returned to the fuel cell via the circulation path and reused for power generation. On the other hand, the purge valve is opened so that the hydrogen gas is purged together with the impurities so that no more than a predetermined amount of impurities accumulate in the circulating hydrogen gas. When the purged hydrogen gas is once stored in the storage chamber and then discharged from the storage chamber, the discharge amount is adjusted to an amount corresponding to the flow rate of the dilution gas by the flow rate adjusting means. As a result, in this hydrogen gas diluting device, even if hydrogen gas remains in the storage chamber, the hydrogen gas is prevented from being unexpectedly pushed out of the storage chamber by the purge. Therefore, in the purge control, there is a purge restriction for preventing high-concentration hydrogen gas from being discharged, for example, a restriction that a necessary purge interval must be set or a restriction that a purge amount must be specified. Alleviated. Therefore, according to this hydrogen gas diluting device, it is possible to purge the hydrogen gas necessary for maintaining power generation without paying particular attention to the concentration of the discharged hydrogen gas.

また、このような水素ガス希釈装置においては、前記流量調整手段に、前記水素ガスと前記希釈ガスとの混合を促進する混合促進手段が取り付けられたものであってもよい。
この水素ガス希釈装置では、混合促進手段によって、水素ガスと希釈ガスとの混合が促進されるので、燃料電池から排出された水素ガスが高濃度のままで排出されることが、より確実に防止される。
In such a hydrogen gas diluting device, a mixing promoting means for promoting mixing of the hydrogen gas and the diluting gas may be attached to the flow rate adjusting means.
In this hydrogen gas diluting device, mixing of the hydrogen gas and the diluting gas is promoted by the mixing promoting means, so that the hydrogen gas discharged from the fuel cell is more reliably prevented from being discharged at a high concentration. Is done.

また、このような水素ガス希釈装置においては、前記流量調整手段が、前記貯留室と前記希釈ガスの流路とを連通させる開口部と、前記開口部の開度を前記希釈ガスの流量に応じて調節可能な弁体とを備えるものであってもよい。
この水素ガス希釈装置においては、弁体が希釈ガスの流量に応じて開口部の開度を調節するので、貯留室に貯留された水素ガスは、希釈ガスの流量に応じて貯留室から排出される。
Further, in such a hydrogen gas dilution apparatus, the flow rate adjusting means has an opening for communicating the storage chamber and the flow path of the dilution gas, and the opening degree of the opening depends on the flow rate of the dilution gas. And an adjustable valve body.
In this hydrogen gas dilution device, the valve body adjusts the opening of the opening according to the flow rate of the dilution gas, so that the hydrogen gas stored in the storage chamber is discharged from the storage chamber according to the flow rate of the dilution gas. The

また、このような水素ガス希釈装置においては、前記希釈ガスの上流側に向かって前記弁体を付勢する付勢手段をさらに備えているとともに、前記混合促進手段が、前記希釈ガスの流れを受けて前記弁体を前記希釈ガスの下流側に向かって付勢するように前記弁体に接続されており、前記弁体が、前記希釈ガスの流れる方向に対して順逆に移動することによって前記開口部の開度を調節するものであってもよい。
この水素ガス希釈装置では、弁体を上流側に向けて付勢する付勢手段の付勢力と、混合促進手段が弁体を下流側に付勢する混合促進手段の付勢力とが等しくなるように希釈ガスの流量が維持されている場合において、この流量が増加すると、混合促進手段は、付勢手段の付勢力に抗して、弁体を希釈ガスの下流側に移動させる。逆に、希釈ガスの流量が減少すると、付勢手段は、混合促進手段の付勢力に抗して、弁体を希釈ガスの上流側に移動させる。つまり、弁体は、希釈ガスの流量に応じて希釈ガスの流れの順逆方向に移動する。その結果、この水素ガス希釈装置は、弁体の移動に応じて開口部の開度を調節する。
Further, in such a hydrogen gas diluting device, the hydrogen gas diluting device further includes a biasing means for biasing the valve body toward the upstream side of the dilution gas, and the mixing promoting means The valve body is connected to the valve body so as to receive and bias the valve body toward the downstream side of the dilution gas, and the valve body moves forward and backward with respect to the flow direction of the dilution gas. You may adjust the opening degree of an opening part.
In this hydrogen gas dilution device, the urging force of the urging means for urging the valve body toward the upstream side is equal to the urging force of the mixing promotion means for the mixing promoting means to urge the valve body toward the downstream side. When the flow rate of the dilution gas is maintained, the mixing promotion means moves the valve body to the downstream side of the dilution gas against the urging force of the urging means when the flow rate increases. Conversely, when the flow rate of the dilution gas decreases, the urging means moves the valve body to the upstream side of the dilution gas against the urging force of the mixing promoting means. That is, the valve body moves in the forward / reverse direction of the flow of the dilution gas according to the flow rate of the dilution gas. As a result, this hydrogen gas diluting device adjusts the opening of the opening according to the movement of the valve element.

また、このような水素ガス希釈装置においては、前記混合促進手段が撹拌翼であってもよい。
この水素ガス希釈装置では、希釈ガスの流れを受けた撹拌翼が回転することによって、貯留室から排出された水素ガスと希釈ガスとの混合が促進される。
Moreover, in such a hydrogen gas dilution apparatus, the mixing promoting means may be a stirring blade.
In this hydrogen gas diluting device, the mixing of the hydrogen gas discharged from the storage chamber and the dilution gas is promoted by rotating the stirring blade that receives the flow of the dilution gas.

本発明の燃料電池の水素ガス希釈装置は、燃料電池の空気供給系の消費エネルギを低減しながらも、高濃度の水素ガスが排出されることを防止することができる。   The hydrogen gas dilution device for a fuel cell according to the present invention can prevent high-concentration hydrogen gas from being discharged while reducing the energy consumption of the air supply system of the fuel cell.

次に、本発明の水素ガス希釈装置の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図1は、本実施形態に係る水素ガス希釈装置が組み込まれた燃料電池システムの構成説明図、図2は、本実施形態に係る水素ガス希釈装置の構成説明図、図3(a)は、図2のA方向から流量調整手段を見た模式図であり、図3(b)は、流量調整手段を構成する弁体が空気オフガスの下流側に移動した際の様子を示す模式図である。なお、図2は、水素ガス希釈装置が通常使用される際に、その側面から見た図であり、図2の上下が水素ガス希釈装置の上下に対応している。
ここでは、本実施形態に係る水素ガス希釈装置の説明に先立って、この水素ガス希釈装置が組み込まれた燃料電池システムについて説明する。
Next, an embodiment of the hydrogen gas dilution apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a configuration explanatory diagram of a fuel cell system incorporating a hydrogen gas dilution device according to the present embodiment, FIG. 2 is a configuration explanatory diagram of a hydrogen gas dilution device according to the present embodiment, and FIG. (A) is the schematic diagram which looked at the flow volume adjustment means from the A direction of FIG. 2, FIG.3 (b) shows the mode at the time of the valve body which comprises a flow volume adjustment means moving to the downstream of air off gas. It is a schematic diagram shown. FIG. 2 is a side view of the hydrogen gas diluting device when it is normally used. The top and bottom of FIG. 2 correspond to the top and bottom of the hydrogen gas diluting device.
Here, prior to the description of the hydrogen gas dilution device according to the present embodiment, a fuel cell system incorporating the hydrogen gas dilution device will be described.

図1に示すように、燃料電池システムSは、燃料電池2と、水素ガスタンク3と、エゼクタ4と、コンプレッサ5と、加湿器6と、水素ガス希釈装置1とを備えている。なお、コンプレッサ5は、後記するように、燃料電池2への空気供給手段であり、特許請求の範囲にいう「希釈ガス導入手段」に相当する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system S includes a fuel cell 2, a hydrogen gas tank 3, an ejector 4, a compressor 5, a humidifier 6, and a hydrogen gas dilution device 1. As will be described later, the compressor 5 is air supply means to the fuel cell 2 and corresponds to “dilution gas introduction means” in the claims.

燃料電池2は、公知の構造を有しており、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟持した電解質膜電極構造体を、さらに一対のセパレータで挟持してなる単セル(図示せず)を多数組積層して構成されたスタックからなる。そして、この燃料電池2では、燃料極に水素ガスが供給されるとともに、酸化剤極に空気(酸素)が供給されることによって発電が行われるようになっている。   The fuel cell 2 has a known structure. For example, an electrolyte membrane electrode structure in which a solid polymer electrolyte membrane made of a cation exchange membrane or the like is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode is further separated by a pair of separators. It consists of a stack formed by stacking a large number of single cells (not shown) sandwiched. In the fuel cell 2, hydrogen gas is supplied to the fuel electrode and air (oxygen) is supplied to the oxidant electrode to generate power.

水素ガスタンク3は、高圧の水素ガスを蓄積する耐圧容器であり、配管L1によって燃料電池2の燃料極側の図示しない水素ガス供給口と接続されている。この配管L1には、エゼクタ4が配置されている。水素ガスタンク3から排出された水素ガスは、図示しないレギュレータによって圧力調整された後に、エゼクタ4を介して燃料電池2の燃料極に送り込まれる。燃料電池2には、配管L2が燃料極側の図示しない水素ガス排出口に接続されており、その先端部はエゼクタ4と接続されている。つまり、配管L2は、燃料電池2から排出された未反応の水素ガスをエゼクタ4に還流させることによって、エゼクタ4と燃料電池2との間における水素ガスの循環経路を形成している。そして、配管L2から分岐する配管L3には、循環経路に流通する水素ガスに不純物が蓄積した際に、水素ガスを循環経路から排出するためのパージ弁7が取り付けられている。配管L3の先端部は、水素ガス希釈装置1に接続されている。   The hydrogen gas tank 3 is a pressure vessel that accumulates high-pressure hydrogen gas, and is connected to a hydrogen gas supply port (not shown) on the fuel electrode side of the fuel cell 2 by a pipe L1. An ejector 4 is disposed in the pipe L1. The hydrogen gas discharged from the hydrogen gas tank 3 is pressure-adjusted by a regulator (not shown) and then sent to the fuel electrode of the fuel cell 2 through the ejector 4. In the fuel cell 2, a pipe L <b> 2 is connected to a hydrogen gas discharge port (not shown) on the fuel electrode side, and its tip is connected to the ejector 4. That is, the pipe L <b> 2 forms a hydrogen gas circulation path between the ejector 4 and the fuel cell 2 by returning the unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell 2 to the ejector 4. A purge valve 7 for discharging the hydrogen gas from the circulation path when impurities accumulate in the hydrogen gas flowing through the circulation path is attached to the pipe L3 branched from the pipe L2. The distal end of the pipe L3 is connected to the hydrogen gas diluter 1.

コンプレッサ5は、燃料電池2に送り込む空気の流量が調節可能になっており、配管L4によって燃料電池2の酸化剤極側の図示しない空気供給口と接続されている。また、この配管L4には、加湿器6が配置されている。この加湿器6は、コンプレッサ5から燃料電池2に送り込まれる空気を加湿するように構成されている。燃料電池2には、配管L5が、酸化剤極側の図示しない空気排出口に接続されており、この配管L5には、燃料電池2から排出された空気オフガスが流れ込むようになっている。そして、この配管L5の先端部は、水素ガス希釈装置1と接続されている。また、この配管L5には、燃料電池2の酸化剤極における空気の圧力を所定値に設定する背圧弁8が配置されている。   The compressor 5 can adjust the flow rate of the air sent into the fuel cell 2 and is connected to an air supply port (not shown) on the oxidant electrode side of the fuel cell 2 by a pipe L4. Moreover, the humidifier 6 is arrange | positioned at this piping L4. The humidifier 6 is configured to humidify the air sent from the compressor 5 to the fuel cell 2. The fuel cell 2 has a pipe L5 connected to an air outlet (not shown) on the oxidizer electrode side, and the air off-gas discharged from the fuel cell 2 flows into the pipe L5. And the front-end | tip part of this piping L5 is connected with the hydrogen gas dilution apparatus 1. FIG. Further, a back pressure valve 8 for setting the air pressure at the oxidant electrode of the fuel cell 2 to a predetermined value is disposed in the pipe L5.

コンプレッサ5と加湿器6との間の配管L4からは、配管L6が分岐している。この配管L6には、未加湿の空気が流れ込むようになっており、その先端部は水素ガス希釈装置1と接続されている。また、この配管L6には、流れ込む未加湿の空気の流量を規制する絞り弁9が配置されている。なお、本発明では、この絞り弁9に代えて流量調整弁を使用することもできる。
このような燃料電池システムSでは、水素ガスタンク3から供給された水素ガスと、コンプレッサ5から供給された空気(酸素)とによって燃料電池2が発電を行うとともに、配管L3内にパージされた水素ガス、配管L5内に排出された空気オフガス、および配管L6に流れ込む未加湿の空気は、次に説明する水素ガス希釈装置1に流れ込むこととなる。そして、水素ガス希釈装置1には、希釈された水素ガスを大気中に放出するための配管L7が接続されている。
A pipe L6 branches from a pipe L4 between the compressor 5 and the humidifier 6. Unhumidified air flows into the pipe L <b> 6, and the tip thereof is connected to the hydrogen gas dilution device 1. In addition, a throttle valve 9 that restricts the flow rate of the unhumidified air that flows in is disposed in the pipe L6. In the present invention, a flow rate adjusting valve can be used instead of the throttle valve 9.
In such a fuel cell system S, the fuel cell 2 generates power using the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas tank 3 and the air (oxygen) supplied from the compressor 5, and the hydrogen gas purged into the pipe L3. The air off gas discharged into the pipe L5 and the unhumidified air flowing into the pipe L6 will flow into the hydrogen gas diluting device 1 described below. The hydrogen gas diluting device 1 is connected to a pipe L7 for releasing diluted hydrogen gas into the atmosphere.

次に、本実施形態に係る水素ガス希釈装置1について説明する。
水素ガス希釈装置1は、図2に示すように、貯留室11と、希釈ガス導入手段としての前記したコンプレッサ5(図1参照)と、空気オフガス流路12と、流量調整手段13と、混合促進手段14とを備える。なお、空気オフガス流路12は、特許請求の範囲にいう「希釈ガスの流路」に相当する。
Next, the hydrogen gas dilution apparatus 1 according to the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 2, the hydrogen gas dilution apparatus 1 includes a storage chamber 11, the compressor 5 (see FIG. 1) as dilution gas introduction means, an air off-gas flow path 12, a flow rate adjustment means 13, Promoting means 14. The air off gas passage 12 corresponds to a “dilution gas passage” in the claims.

貯留室11は、配管L3を介して導入される水素ガスと、配管L6を介して導入される未加湿の空気とを貯留するものであり、箱状体11aの内側に形成されている。この貯留室11には、配管L3と配管L6とが接続されている。そして、貯留室11を形成する箱状体11aには、次に説明する空気オフガス流路12に水素ガスを排出するための排出口10が穿たれている。   The storage chamber 11 stores hydrogen gas introduced through the pipe L3 and unhumidified air introduced through the pipe L6, and is formed inside the box-shaped body 11a. A pipe L3 and a pipe L6 are connected to the storage chamber 11. The box-shaped body 11a forming the storage chamber 11 is provided with a discharge port 10 for discharging hydrogen gas to an air off-gas flow path 12 described below.

空気オフガス流路12は、貯留室11の下側で隣接するように形成されており、その一端側には、配管L5が接続されており、その他端側には、排気管L7が接続されている。そして、空気オフガス流路12内には、水素ガス流通管L8が配置されている。この水素ガス流通管L8は、その一端側が排出口10に接続されるとともに、排出口10から空気オフガスの下流側に向かって空気オフガス流路12に沿うように直線的に延びている。
そして、図2および図3(a)に示すように、水素ガス流通管L8の先端側には、水素ガス流通管L8の周面の下側に開口部15が形成されている。この開口部15は、特許請求の範囲にいう「開口部」に相当する。開口部15は、図3(a)および(b)に示すように、その平面視が、空気オフガスの下流側に向かうほど幅広がりとなる略三角形状を呈している。
The air off-gas flow path 12 is formed so as to be adjacent to the lower side of the storage chamber 11, and a pipe L5 is connected to one end side thereof, and an exhaust pipe L7 is connected to the other end side. Yes. A hydrogen gas flow pipe L8 is disposed in the air off gas flow path 12. One end side of the hydrogen gas circulation pipe L8 is connected to the discharge port 10 and extends linearly from the discharge port 10 toward the downstream side of the air off-gas along the air off-gas flow path 12.
As shown in FIGS. 2 and 3 (a), an opening 15 is formed below the peripheral surface of the hydrogen gas flow pipe L8 on the tip side of the hydrogen gas flow pipe L8. The opening 15 corresponds to an “opening” in the claims. As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the opening 15 has a substantially triangular shape whose width increases toward the downstream side of the air off-gas.

流量調整手段13は、図2に示すように、前記した開口部15と、弁体16とで主に構成されている。
弁体16は、水素ガス流通管L8の直線部分に外嵌された筒状部材であり、水素ガス流通管L8が延びる方向、つまり空気オフガスが流れる方向に対して順逆に摺動可能になっている。この弁体16には、図2に示すように、その周面の下側に開口部17が形成されている。そして、開口部17は、図3(a)および(b)に示すように、弁体16が摺動した際に、開口部15と重なり合う度合いによって、開口部15の開度を調節するようになっている。このような弁体16は、バネ部材18によって、空気オフガスの上流側に向かって付勢されている。このバネ部材18は、特許請求の範囲にいう「付勢手段」に相当する。
As shown in FIG. 2, the flow rate adjusting means 13 is mainly composed of the opening 15 and the valve body 16.
The valve body 16 is a cylindrical member that is externally fitted to the straight portion of the hydrogen gas flow pipe L8, and is slidable in the forward and reverse directions with respect to the direction in which the hydrogen gas flow pipe L8 extends, that is, the direction in which the air off-gas flows. Yes. As shown in FIG. 2, the valve body 16 has an opening 17 formed on the lower side of the peripheral surface thereof. As shown in FIGS. 3A and 3B, the opening 17 adjusts the opening degree of the opening 15 depending on the degree of overlap with the opening 15 when the valve body 16 slides. It has become. Such a valve body 16 is urged toward the upstream side of the air off-gas by the spring member 18. The spring member 18 corresponds to “biasing means” in the claims.

混合促進手段14は、図2に示すように、攪拌翼19aと、この攪拌翼19aを弁体16に取り付ける軸部材19bとで主に構成されている。攪拌翼19aとしては、図2に示すプロペラ翼に限定されず、タービン翼、ヘリカル翼等の公知のものを使用することができる。   As shown in FIG. 2, the mixing promoting means 14 is mainly composed of a stirring blade 19 a and a shaft member 19 b that attaches the stirring blade 19 a to the valve body 16. The stirring blade 19a is not limited to the propeller blade shown in FIG. 2, and a known blade such as a turbine blade or a helical blade can be used.

次に、本実施形態に係る水素ガス希釈装置1の動作について、主に図2を参照しながら説明する。
水素ガス希釈装置1では、パージ弁7からパージされた水素ガスが配管L3を介して貯留室11に導入される。なお、水素ガスがパージされる時期は不定期であって、本実施形態では、燃料電池2(図1参照)のセル電圧が予め設定された電圧値を下回ったときに、配管L2(図1参照)を循環する水素ガスに不純物が蓄積したとみなして、水素ガスのパージが行われる。そして、導入された水素ガスは、この貯留室11に一旦貯留される。このとき水素ガスは、空気に対する比重が軽いために、貯留室11の上部に滞留する傾向がある。そのため、この水素ガス希釈装置1では、配管L6を介して、未加湿の空気が貯留室11に導入される。その結果、水素ガスは、貯留室11内で拡散しやすくなる。なお、水素ガス希釈装置1では、水素ガスが貯留室11に導入された際に、水素ガスの導入圧によって水素ガスが排出口10から急激に排出されないように、この導入圧を緩衝することができる程度に貯留室11の容積が充分に確保されている。
Next, operation | movement of the hydrogen gas dilution apparatus 1 which concerns on this embodiment is demonstrated, mainly referring FIG.
In the hydrogen gas dilution apparatus 1, hydrogen gas purged from the purge valve 7 is introduced into the storage chamber 11 via the pipe L3. Note that the time when the hydrogen gas is purged is irregular, and in this embodiment, when the cell voltage of the fuel cell 2 (see FIG. 1) falls below a preset voltage value, the pipe L2 (FIG. 1). The hydrogen gas is purged on the assumption that impurities have accumulated in the hydrogen gas circulating in the reference). The introduced hydrogen gas is temporarily stored in the storage chamber 11. At this time, since hydrogen gas has a low specific gravity with respect to air, hydrogen gas tends to stay in the upper part of the storage chamber 11. Therefore, in this hydrogen gas dilution device 1, unhumidified air is introduced into the storage chamber 11 through the pipe L <b> 6. As a result, the hydrogen gas easily diffuses in the storage chamber 11. In the hydrogen gas dilution apparatus 1, when the hydrogen gas is introduced into the storage chamber 11, the introduction pressure can be buffered so that the hydrogen gas is not suddenly discharged from the discharge port 10 due to the introduction pressure of the hydrogen gas. The storage chamber 11 has a sufficient capacity to the extent possible.

その一方で、コンプレッサ5(図1参照)から燃料電池2(図1参照)に供給された空気は、配管L5(図1参照)内に空気オフガスとして排出される。この空気オフガスは、配管L5を介して空気オフガス流路12に導入される。そして、空気オフガスは、排気管L7を介して水素ガス希釈装置1の外、つまり大気中に放出される。
このとき貯留室11に貯留された水素ガスは、未加湿の空気とともに、排出口10、水素ガス流通管L8、開口部15、および開口部17を介して徐々に空気オフガス流路12に流れ込む。その結果、貯留室11から排出される水素ガスは空気オフガスで希釈される。
On the other hand, the air supplied from the compressor 5 (see FIG. 1) to the fuel cell 2 (see FIG. 1) is discharged as air off gas into the pipe L5 (see FIG. 1). This air off gas is introduced into the air off gas flow path 12 via the pipe L5. Then, the air off-gas is discharged to the outside of the hydrogen gas dilution device 1, that is, to the atmosphere via the exhaust pipe L7.
At this time, the hydrogen gas stored in the storage chamber 11 gradually flows into the air off-gas flow path 12 through the discharge port 10, the hydrogen gas flow pipe L 8, the opening 15, and the opening 17 together with unhumidified air. As a result, the hydrogen gas discharged from the storage chamber 11 is diluted with the air off gas.

また、弁体16に取り付けられた攪拌翼19aは、空気オフガスの流れを受けて回転する。その結果、貯留室から排出された水素ガスと希釈ガスとの混合が促進される。そして、攪拌翼19aは、空気オフガスの流れを受けて、弁体16を空気オフガスの下流側に付勢する。その一方で、バネ部材18は、弁体16を空気オフガスの上流側に付勢する。そして、攪拌翼19aによる付勢力F1(図3(a)参照)と、バネ部材18による付勢力F2(図3(a)参照)とが釣り合った状態で、開口部15(図3(a)参照)の開度は決定される。つまり、貯留室11から空気オフガス流路12に流れ込む水素ガスの量、および未加湿の空気の量は、決定される。   Further, the stirring blade 19a attached to the valve body 16 rotates in response to the flow of air off gas. As a result, mixing of the hydrogen gas discharged from the storage chamber and the dilution gas is promoted. Then, the stirring blade 19a receives the flow of the air off gas and urges the valve body 16 to the downstream side of the air off gas. On the other hand, the spring member 18 urges the valve body 16 to the upstream side of the air off gas. The opening 15 (FIG. 3A) is in a state where the urging force F1 (see FIG. 3A) by the stirring blade 19a and the urging force F2 by the spring member 18 (see FIG. 3A) are balanced. The degree of opening is determined. That is, the amount of hydrogen gas flowing from the storage chamber 11 into the air off-gas passage 12 and the amount of unhumidified air are determined.

そして、例えば、燃料電池2(図1参照)の出力が上げられて、空気オフガス流路12内の空気オフガスの流量が増加すると、攪拌翼19aによる付勢力F1(図3(a)参照)がバネ部材18による付勢力F2(図3(a)参照)を上回ることによって、図3(b)に示すように、弁体16は空気オフガスの下流側に移動する。つまり、開口部15(図3(a)参照)の開度が大きくなることによって、貯留室11から空気オフガス流路12に流れ込む水素ガスの量、および未加湿の空気の量は増加する。その結果、燃料電池から排出される水素ガスは、効率良く希釈される。逆に、空気オフガスの流量が減少すると、攪拌翼19aによる付勢力F1(図3(a)参照)がバネ部材18による付勢力F2(図3(a)参照)を下回ることによって、弁体16は空気オフガスの上流側に移動する。つまり、図示しないが、開口部15(図3(a)参照)の開度が小さくなることによって、貯留室11から空気オフガス流路12に流れ込む水素ガスの量、および未加湿の空気の量は減少する。その結果、水素ガスが高濃度のままで排出されることが防止される。   For example, when the output of the fuel cell 2 (see FIG. 1) is increased and the flow rate of the air off gas in the air off gas passage 12 is increased, the urging force F1 (see FIG. 3 (a)) by the stirring blade 19a is generated. By exceeding the urging force F2 (see FIG. 3A) by the spring member 18, the valve body 16 moves to the downstream side of the air off-gas as shown in FIG. 3B. That is, as the opening of the opening 15 (see FIG. 3A) increases, the amount of hydrogen gas flowing from the storage chamber 11 into the air off-gas passage 12 and the amount of unhumidified air increase. As a result, the hydrogen gas discharged from the fuel cell is diluted efficiently. On the contrary, when the flow rate of the air off-gas decreases, the urging force F1 (see FIG. 3A) by the stirring blade 19a becomes lower than the urging force F2 (see FIG. 3A) by the spring member 18, whereby the valve body 16 Move upstream of the air off-gas. That is, although not shown, the amount of hydrogen gas flowing into the air off-gas flow path 12 from the storage chamber 11 and the amount of unhumidified air are reduced as the opening of the opening 15 (see FIG. 3A) is reduced. Decrease. As a result, hydrogen gas is prevented from being discharged at a high concentration.

また、このように弁体16が開口部15の開度を調節する際に、開口部15は、略三角形状を呈しているので(図3(a)参照)、弁体16が摺動する際における開度の変化率は大きくなる。したがって、このような流量調整手段13による水素ガスの量の調節応答速度は速くなる。   Moreover, when the valve body 16 adjusts the opening degree of the opening part 15 in this way, since the opening part 15 has a substantially triangular shape (see FIG. 3A), the valve body 16 slides. The rate of change of the opening at the time increases. Accordingly, the adjustment response speed of the amount of hydrogen gas by the flow rate adjusting means 13 is increased.

以上のような水素ガス希釈装置1によれば、空気オフガスの流量に応じて、貯留室11から排出される水素ガスの量、つまり希釈する水素ガスの量が決定されるので、燃料電池2からパージされた水素ガスが高濃度のままで排出されることを防止することができる。
また、この水素ガス希釈装置1によれば、従来の水素ガス希釈装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、パージされる水素ガスの量に応じて空気オフガスの流量を大きくするものではないので、コンプレッサ5における消費エネルギの増大は回避される。
According to the hydrogen gas dilution apparatus 1 as described above, the amount of hydrogen gas discharged from the storage chamber 11, that is, the amount of hydrogen gas to be diluted is determined according to the flow rate of the air off gas. It is possible to prevent the purged hydrogen gas from being discharged at a high concentration.
Further, according to the hydrogen gas dilution device 1, unlike the conventional hydrogen gas dilution device (see, for example, Patent Document 1), the flow rate of the air off-gas is not increased according to the amount of hydrogen gas to be purged. Therefore, an increase in energy consumption in the compressor 5 is avoided.

また、この水素ガス希釈装置1によれば、従来の水素ガス希釈装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、パージされる水素ガスの量に応じて空気オフガスの流量を意図的に大きくする必要がないので、コンプレッサ5で燃料電池2に供給する空気の量を多くする必要もない。したがって、この水素ガス希釈装置1によれば、従来の水素ガス希釈装置と比較して、燃料電池2の運転時に安定した発電制御を行うことができる。   Further, according to the hydrogen gas diluting device 1, unlike the conventional hydrogen gas diluting device (see, for example, Patent Document 1), the flow rate of the air off-gas is intentionally increased according to the amount of hydrogen gas to be purged. Since there is no need, it is not necessary to increase the amount of air supplied to the fuel cell 2 by the compressor 5. Therefore, according to the hydrogen gas diluting device 1, it is possible to perform stable power generation control during operation of the fuel cell 2, as compared with the conventional hydrogen gas diluting device.

また、この水素ガス希釈装置1によれば、パージされた水素ガスは、貯留室11に一旦貯留された後に貯留室11から排出される際に、その排出量が、流量調整手段13によって空気オフガスの流量に応じた量に調整される。その結果、この水素ガス希釈装置1では、貯留室11内に水素ガスが残っていても、パージによってその水素ガスが貯留室11から不測に押し出されることが避けられる。そのため、パージの制御において、高濃度の水素ガスが排出されないようにするためのパージ制限、例えば、必要なパージ間隔を設定しなければならないという制限や、パージ量を規定しなければならないという制限が緩和される。したがって、この水素ガス希釈装置1によれば、排出される水素ガスの濃度に特に注意を払うことなく、発電維持に必要な水素ガスのパージが可能となる。   Further, according to the hydrogen gas diluting device 1, when the purged hydrogen gas is once stored in the storage chamber 11 and then discharged from the storage chamber 11, the discharge amount is reduced by the flow rate adjusting means 13 to the air off gas. The amount is adjusted according to the flow rate. As a result, in this hydrogen gas diluting device 1, even if hydrogen gas remains in the storage chamber 11, it is avoided that the hydrogen gas is unexpectedly pushed out of the storage chamber 11 by the purge. Therefore, in the purge control, there is a purge restriction for preventing high-concentration hydrogen gas from being discharged, for example, a restriction that a necessary purge interval must be set or a restriction that a purge amount must be specified. Alleviated. Therefore, according to the hydrogen gas diluting device 1, it is possible to purge the hydrogen gas necessary for maintaining power generation without paying particular attention to the concentration of the discharged hydrogen gas.

また、このような水素ガス希釈装置1によれば、混合促進手段14によって、水素ガスと希釈ガスとの混合が促進されるので、燃料電池2から排出された水素ガスが高濃度のままで排出されることを、より確実に防止することができる。   Further, according to the hydrogen gas diluting device 1 as described above, since the mixing of the hydrogen gas and the diluting gas is promoted by the mixing promoting means 14, the hydrogen gas discharged from the fuel cell 2 is discharged with a high concentration. It can prevent more reliably.

また、このような水素ガス希釈装置1によれば、流量調整手段13を機械的構造で構成することができるので、従来の水素ガス希釈装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、簡素な構造で水素ガスを希釈することができる。   Moreover, according to such a hydrogen gas dilution apparatus 1, since the flow volume adjustment means 13 can be comprised with a mechanical structure, unlike the conventional hydrogen gas dilution apparatus (for example, refer patent document 1), it is simple. Hydrogen gas can be diluted with the structure.

なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記実施形態では、混合促進手段14として攪拌翼19aを使用した例を示したが、攪拌翼19aに代えて邪魔板を使用したものであってもよい。
前記実施形態では、希釈ガス導入手段としてコンプレッサ5を使用した例を示したが、コンプレッサ5に代えて、酸素や空気を充填したボンベを使用したものであってもよい。
In addition, this invention is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.
In the above-described embodiment, an example in which the stirring blade 19a is used as the mixing promoting means 14 is shown, but a baffle plate may be used instead of the stirring blade 19a.
In the above-described embodiment, the example in which the compressor 5 is used as the dilution gas introduction unit has been described. However, instead of the compressor 5, a cylinder filled with oxygen or air may be used.

実施形態に係る水素ガス希釈装置が組み込まれた燃料電池システムの構成説明図である。1 is a configuration explanatory diagram of a fuel cell system in which a hydrogen gas dilution device according to an embodiment is incorporated. FIG. 実施形態に係る水素ガス希釈装置の構成説明図である。It is composition explanatory drawing of the hydrogen gas dilution apparatus which concerns on embodiment. (a)は、図2のA方向から流量調整手段を見た模式図であり、(b)は、流量調整手段を構成する弁体が空気オフガスの下流側に移動した際の様子を示す模式図である。(A) is the schematic diagram which looked at the flow volume adjustment means from the A direction of FIG. 2, (b) is the schematic which shows a mode when the valve body which comprises a flow volume adjustment means moves to the downstream of air off gas. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 水素ガス希釈装置
2 燃料電池
3 水素ガスタンク
5 コンプレッサ(希釈ガス導入手段)
11 貯留室
12 空気オフガス流路(希釈ガスの流路)
13 流量調整手段
14 混合促進手段
15 開口部(流量調整手段)
16 弁体(流量調整手段)
18 バネ部材(付勢手段)
19a 攪拌翼(混合促進手段)
19b 軸部材(混合促進手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen gas dilution apparatus 2 Fuel cell 3 Hydrogen gas tank 5 Compressor (dilution gas introduction means)
11 Reservation chamber 12 Air off-gas flow path (dilution gas flow path)
13 Flow rate adjusting means 14 Mixing promoting means 15 Opening (flow rate adjusting means)
16 Valve body (flow rate adjusting means)
18 Spring member (biasing means)
19a stirring blade (mixing promotion means)
19b Shaft member (mixing promotion means)

Claims (4)

燃料電池から排出される水素ガスを貯留する貯留室と、
前記貯留室から排出される水素ガスを希釈する希釈ガスを導入する希釈ガス導入手段と、
前記希釈ガスの流量に応じて前記貯留室から排出される水素ガスの量を可変にする流量調整手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の水素ガス希釈装置。
A storage chamber for storing hydrogen gas discharged from the fuel cell;
Dilution gas introduction means for introducing a dilution gas for diluting the hydrogen gas discharged from the storage chamber;
A flow rate adjusting means for varying the amount of hydrogen gas discharged from the storage chamber according to the flow rate of the dilution gas;
A hydrogen gas diluting device for a fuel cell, comprising:
前記流量調整手段に、前記水素ガスと前記希釈ガスとの混合を促進する混合促進手段が取り付けられたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の水素ガス希釈装置。   2. The hydrogen gas diluting device for a fuel cell according to claim 1, wherein a mixing promoting means for promoting mixing of the hydrogen gas and the diluting gas is attached to the flow rate adjusting means. 前記流量調整手段が、前記貯留室と前記希釈ガスの流路とを連通させる開口部と、前記開口部の開度を前記希釈ガスの流量に応じて調節可能な弁体とを備え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水素ガス希釈装置。   The flow rate adjusting means includes an opening for communicating the storage chamber and the flow path of the dilution gas, and a valve body capable of adjusting the opening of the opening according to the flow rate of the dilution gas. The hydrogen gas dilution device for a fuel cell according to claim 1 or 2. 前記希釈ガスの上流側に向かって前記弁体を付勢する付勢手段をさらに備えているとともに、
前記混合促進手段が、前記希釈ガスの流れを受けて前記弁体を前記希釈ガスの下流側に向かって付勢するように前記弁体に接続されており、
前記弁体が、前記希釈ガスの流れる方向に対して順逆に移動することによって前記開口部の開度を調節することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池の水素ガス希釈装置。
Further comprising an urging means for urging the valve body toward the upstream side of the dilution gas,
The mixing promoting means is connected to the valve body so as to receive the flow of the dilution gas and urge the valve body toward the downstream side of the dilution gas;
4. The hydrogen gas dilution device for a fuel cell according to claim 3, wherein the valve body adjusts the opening degree of the opening by moving in the forward and reverse directions with respect to the flow direction of the dilution gas.
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