JP2007018816A - 燃料電池の排出ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池から排出された水素の濃度を低くして、外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置を提供する。
【解決手段】 燃料電池のアノードから排出された水素を希釈用ガスで希釈して外部に排出する希釈器４０Ａ（燃料電池の排出ガス処理装置）であって、アノードから排出された水素が流れる排出水素流路を分岐すると共に、各下流側がカソードオフガス流路に接続した希釈流路Ｗ１、Ｗ２と、希釈流路Ｗ１、Ｗ２にそれぞれ設けられ、流量を設定する圧損体４２Ａ、４２Ａ（流量設定手段）と、を備え、圧損体４２Ａ、４２Ａの下流側の流量は等しくなるように設定されており、各圧損体４２Ａとカソードオフガス流路との間の希釈流路Ｗ１、Ｗ２の流路容積は異なる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池のアノードから排出された水素を希釈処理する燃料電池の排出ガス処理装置に関する。

近年、水素がアノードに、酸素がカソードにそれぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する燃料電池の開発が盛んである。この燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。このような燃料電池では、その出力を高めるために、アノードに消費される量以上の水素が供給される場合が多く、アノードから反応で使用されなかった未反応の水素が排出される。そこで、水素の利用効率を高めるべく、この排出された未反応の水素を水素供給側に戻し、水素を循環させる水素循環系を採用した技術が提案されている。

また、燃料電池が発電すると、カソードで水が生成し、この生成水の一部が固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）をアノード側に透過する。その他、電解質膜の湿潤状態を確保して、電解質膜のプロトン（水素イオン）の拡散性（導電性）を高めるため、例えば、燃料電池のカソード側またはアノード側に供給されるガス（水素、酸素を含む空気など）を加湿する方法が採用されている。

したがって、水素循環系を採用する燃料電池システムの場合、燃料電池のアノード側では発電に伴って、循環する水素に同伴する水分量が高くなり、燃料電池の発電効率が低下する場合がある。そこで、このように循環する水素に同伴する水分量が高くなった場合、これを一時的に排出する（これを水素パージという）と共に、水素パージされた水素を希釈器で希釈して、外部（外気中）に排出する技術が提案されている（特許文献１参照）。

この技術について、さらに説明すると、水素パージによって排出された水素を希釈するために、（１）燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガス（希釈用ガス）が流れるカソードオフガス流路からカソードオフガスの一部を取り出し、（２）この取り出したカソードオフガスと水素を含むアノードオフガスとを、混合室（希釈室）で混合し、（３）水素を希釈した後に、カソードオフガス流路に戻し、さらに希釈して外部に排出している。
特開２００２−２８９２３７号公報（段落番号００６８、図１）

このように、燃料電池からの水素の濃度を低下させて排出することについては、更なる技術の向上が望まれている。
そこで、本発明は、燃料電池から排出された水素の濃度を低くして、外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、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た水素を希釈用ガスで希釈して外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、前記アノードから排出された水素（の量）を複数に分けて前記希釈用ガスが流通する希釈用ガス流路に導入する水素導入手段を備えたことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置である。

このような燃料電池の排出ガス処理装置によれば、水素導入手段によって、燃料電池のアノードから排出された水素が複数（第１実施形態では二つ）に分けられて、希釈用ガス流路に導入される。すなわち、水素導入手段によって、希釈用ガス流路を流通する希釈用ガス（後記する実施形態ではカソードオフガス）に、アノードから排出された水素が小分けされて導入される。そうすると、分けられて導入された水素が、希釈用ガスによって、導入されたタイミングに応じて希釈され、その水素濃度は低くなり、このように水素濃度を確実に低下させた後に、外部に排出することができる。
このように水素導入手段によって、アノードから排出された水素を複数に分けて、希釈用ガスが流通する希釈用ガスに導入されるため、アノードから排出された水素を分けずにそのまま希釈用ガスに導入した場合よりも、水素を効率的に希釈して、水素濃度を低下させることができる。
また、分けた水素を希釈用ガス流路に導入するタイミングは、水素を良好に希釈するために、できるだけ時間差を設定することが好ましい。

請求項２に係る発明は、前記水素導入手段は、前記アノードから排出された水素が流れる排出水素流路を分岐すると共に、各下流側が前記希釈用ガス流路に接続した複数の希釈流路と、前記複数の希釈流路にそれぞれ設けられ、流量を設定する流量設定手段と、を備え、前記各流量設定手段の下流側の流量は等しくなるように設定されており、前記各流量設定手段と前記希釈用ガス流路との間の前記各希釈流路の流路容積は異な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である。

このような燃料電池の排出ガス処理装置によれば、排出水素流路を分岐した複数の希釈流路を備えたことにより、燃料電池のアノードから排出された水素が、排出水素流路から複数の希釈流路に流れ込み、複数に分けられる。そして、各希釈流路に設けられた流量設定手段によって、その下流側の流量は等しくなるように設定されている。
（１）このような各流量設定手段の下流側の流量が等しいことと、（２）各流量設定手段と希釈用ガス流路との間の各希釈流路の流路容積は異なること、とによって、複数に分けられた水素が、希釈用ガス流路に到達する時間に差が発生する。したがって、分けられた水素が順次に希釈用ガス流路に導入されることになり、希釈用ガスによって希釈され、その水素濃度は低くなる。

請求項３に係る発明は、前記水素導入手段は、前記アノードから排出された水素が流れる排出水素流路を分岐すると共に、各下流側が前記希釈用ガス流路に接続した複数の希釈流路と、前記複数の希釈流路にそれぞれ設けられ、流量を設定する流量設定手段と、を備え、前記各流量設定手段の下流側の流量は異なるように設定されており、前記各流量設定手段と前記希釈用ガス流路との間の前記各希釈流路の流路容積は等しい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である。

このような燃料電池の排出ガス処理装置によれば、排出水素流路を分岐した複数の希釈流路を備えたことにより、燃料電池のアノードから排出された水素が、排出水素流路から複数の希釈流路に流れ込み、複数に分けられる。そして、各希釈流路に設けられた流量設定手段によって、その下流側の流量は異なるように設定されている。
（１）このような各流量設定手段の下流側の流量が異なることと、（２）各流量設定手段と希釈用ガス流路との間の各希釈流路の流路容積は等しいこと、とによって、複数に分けられた水素が、希釈用ガス流路との接続点に到達する時間に差が発生する。したがって、分けられた水素が順次に希釈用ガス流路に導入されることになり、希釈用ガスによって希釈されて、その水素濃度は低くなる。

請求項４に係る発明は、前記水素導入手段は、前記アノードから排出された水素を貯溜すると共に、その下流側が前記希釈用ガス流路に接続したチャンバと、前記チャンバと前記希釈用ガス流路との間に設けられた開閉弁と、前記開閉弁の開／閉を制御する制御手段と、を備えた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である。

このような燃料電池の排出ガス処理装置によれば、燃料電池のアノードから排出された水素はチャンバに貯留される。そして、制御手段が開閉弁を開くと、チャンバに貯溜された水素が希釈用ガス流路に導入される。すなわち、制御手段が開閉弁を複数回にて開／閉することによって、チャンバ内に貯溜された水素を、複数に分けて希釈用ガス流路に導入し、希釈用ガスで希釈して、水素濃度を低下させることができる。

本発明によれば、燃料電池から排出された水素の濃度を低くして、外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を適宜参照して説明する。なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。参照する図面において、図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図２は、第１実施形態に係る希釈器の構成図である。図３は、第１実施形態に係る希釈器の作用・効果を示すグラフである。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、燃料電池自動車は燃料電池１０の発電電力によって走行用の電動モータ（走行モータ）を回転させて走行するようになっている。
燃料電池システムＳは、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード１２に水素（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系２０と、燃料電池１０のカソード１３に空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給・排出するカソード系３０と、アノード系２０およびカソード系３０の下流位置でアノード系２０から排出される水素を希釈する希釈器４０Ａ（燃料電池の排出ガス処理装置）と、これらを制御するＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、制御装置）と、を主に備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、主として、一価の陽イオン交換型の電解質膜１１の両面を触媒（Ｐｔなど）が担持されたアノード１２（燃料極）およびカソード１３（空気極）で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体）と、ＭＥＡを挟持するセパレータとからなる単セルが、複数積層されることで構成された固体高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、ＰＥＦＣ）である。そして、アノード１２に水素が、カソード１３に加湿空気がそれぞれ供給されると、前記ＭＥＡにおいて電位差が発生し、燃料電池１０の出力端子に接続した走行モータなど外部負荷からの電力要求に応じて、燃料電池１０が発電するようになっている。また、各単セルには、その出力電圧（以下、セル電圧）を検知するセル電圧検知モニタ（図示しない）が接続されている。セル電圧検知モニタは、ＥＣＵ５０と電気的に接続しており、ＥＣＵ５０は各単セルのセル電圧を検知するようになっている。

＜アノード系−水素供給側＞
アノード系２０の水素供給側は、下流側（燃料電池１０側）に向かって、水素が貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２と、エゼクタ２３とを主に備えている。水素タンク２１は配管２１ａを介して遮断弁２２に接続している。遮断弁２２は、後記するＥＣＵ５０と電気的に接続しており、ＥＣＵ５０は遮断弁２２を適宜に開／閉するようになっている。また、遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３に接続しており、エゼクタ２３は配管２３ａを介して燃料電池１０のアノード１２に接続している。さらに、配管２２ａには減圧弁（図示しない）が設けられている。したがって、ＥＣＵ５０が遮断弁２２を開くと、水素タンク２１から、減圧弁によって水素が所定圧力に減圧された後、燃料電池１０のアノード１２に供給されるようになっている。

＜アノード系−水素排出側＞
アノード系２０の水素排出側は、水素パージ弁２４を主に備えている。水素パージ弁２４は、配管２４ａを介して、燃料電池１０のアノード１２の下流側に接続しており、燃料電池１０のアノード１２から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが、配管２４ａを水素パージ弁２４に向かって流れるようになっている。配管２４ａの途中位置は、配管２４ｂを介して、エゼクタ２３に接続している。水素パージ弁２４は、配管２４ｃを介して、希釈器４０Ａに接続している。
なお、第１実施形態では、配管２４ａ、２４ｃ内が、特許請求の範囲における「アノードから排出された水素が流れる排出水素流路」となっている。

水素パージ弁２４は、ＥＣＵ５０と電気的に接続しており、ＥＣＵ５０は水素パージ弁２４を適宜に開／閉するようになっている。
さらに説明すると、燃料電池１０を構成するいずれかの単セルのセル電圧が低いことにより、アノードオフガス中の水分量（つまり、アノード１２内の水分量）が高いと推定される場合（水素パージ時）、ＥＣＵ５０は水素パージ弁２４を開き、この水分量の高いアノードオフガスが配管２４ｃを介して希釈器４０Ａに送られるようになっている。なお、水素パージ時に、希釈器４０Ａに送られるアノードオフガスには、水素、水分の他、窒素なども含まれている。
一方、各単セルのセル電圧が良好な値であることにより、アノードオフガス中の水分量が低いと推定される場合（水素循環時）、ＥＣＵ５０は水素パージ弁２４を閉じ、未反応の水素を含むアノードオフガスがエゼクタ２３に戻され、水素が循環し、水素が効率的に利用されるようになっている。
ただし、水素パージの方式は、このようにセル電圧に基づく方式に限定されず、その他に例えば、所定時間で間欠的に水素パージ弁２４を開く方式であってもよい。

＜カソード系−空気供給側＞
カソード系３０の空気供給側は、コンプレッサ３１（ポンプ、スーパーチャージャ）と、加湿器３２とを主に備えている。
コンプレッサ３１は、外気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガスとして、カソード１３に向けて送る機器であり、配管３１ａを介して加湿器３２に接続している。また、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ５０と電気的に接続している。さらに、コンプレッサ３１は、燃料電池１０と、燃料電池１０とは別に搭載された蓄電器（キャパシタ、二次電池など）と接続しており、燃料電池１０が発電していない場合や、燃料電池１０の発電量が少ない場合は、蓄電器から電力が供給されて作動するようになっている。

加湿器３２は、例えば中空糸膜３２ａを内蔵しており、この中空糸膜３２ａによって、コンプレッサ３１からの空気と、カソード１３から排出された水分量の高いカソードオフガスとの間で水分交換し、コンプレッサ３１からの空気を加湿空気とする機器である。そして、加湿器３２は配管３２ｂを介してカソード１３に接続しており、加湿空気がカソード１３に送られるようになっている。

＜カソード系−空気排出側＞
カソード系３０の空気排出側について説明すると、燃料電池１０のカソード１３は、配管３２ｃを介して加湿器３２に接続しており、カソード１３から排出された水分量の高いカソードオフガスが加湿器３２に送られるようになっている。そして、加湿器３２は配管３２ｄを介して希釈器４０Ａを経由し、配管３２ｄの下流端は外気中に開放している。これにより、加湿器３２における水分交換により、その水分量が若干低下したカソードオフガスが、配管３２ｄを介して希釈器４０Ａを経由して、外気中に排出されるようになっている。
また、配管３２ｃには、背圧弁（図示しない）が設けられており、その背圧を調整することで、燃料電池１０におけるアノード１２側の水素の圧力と、カソード１３側の空気の圧力とをバランスさせるようになっている。

＜希釈器＞
希釈器４０Ａは、アノードオフガスの量（体積）を二つに分けて、カソードオフガスが流通する配管３２ｄ内のカソードオフガス流路に、時間差を設けて導入する機器である。希釈器４０Ａは、図２に示すように、希釈配管４１Ａ（水素導入手段）と、圧損体４２Ａ、４２Ａ（流量設定手段、圧力設定手段、水素導入手段）と、逆止弁４３、４３（逆流防止手段）と、カソードオフガス（希釈用ガス）が流通するカソードオフガス（希釈用ガス）流路を有する配管３２ｄ（希釈用ガス流通配管）の一部を主に備えている。

［希釈配管］
希釈配管４１Ａは、アノードオフガスが流通する配管２４ｃの下流端と、カソードオフガスが流通する配管３２ｄの途中の接続点Ｊ１とを接続している。さらに説明すると、希釈配管４１Ａは、下流側に向かって、分岐点Ｔ１で二股に分岐した後、合流点Ｃ１で合流し、接続点Ｊ１で配管３２ｄに接続している。そして、希釈配管４１Ａ内が、それぞれ希釈流路Ｗ１、Ｗ２となっている。すなわち、希釈配管４１Ａは二股に分岐しているため、希釈器４０Ａは２本の希釈流路Ｗ１、Ｗ２を有していることになる。
そして、分岐点Ｔ１と合流点Ｃ１との間における希釈流路Ｗ１、Ｗ２の流路長は等しくなるように設定されている。
ここで、分かり易くするため、図２に示す左側の希釈流路Ｗ１を通るルートを左ルート、右側の希釈流路Ｗ２を通るルートを右ルートとする。

［分岐点と各圧損体との間の希釈流路］
分岐点Ｔ１と圧損体４２Ａ、４２Ａとの間における希釈配管４１Ａは同一形状となっている。すなわち、分岐点Ｔ１と圧損体４２Ａ、４２Ａの間における希釈流路Ｗ１、Ｗ２は同一であり、分岐点Ｔ１と圧損体４２Ａ、４２Ａの間における希釈流路Ｗ１、Ｗ２の流路容積は同一に設定されている。なお、分岐点Ｔ１と圧損体４２Ａ、４２Ａの間における希釈流路Ｗ１、Ｗ２の流路容積は、水素パージ弁２４が開かれた際に、その内部に流れ込むアノードオフガスの量に対応して設定される。

［各圧損体と合流点との間の希釈流路］
一方、各圧損体４２Ａと合流点Ｃ１との間における希釈配管４１Ａの形状は異なっており、左ルートの希釈配管４１Ａに対して、右ルートの希釈配管４１Ａが部分的に太くなっている。すなわち、圧損体４２Ａ、４２Ａと合流点Ｃ１との間において、左ルートに係る希釈流路Ｗ１の流路容積Ｖ１に対して、右ルートに係る希釈流路Ｗ２の流路容積Ｖ２は大きくなるように設定されている（Ｖ１＜Ｖ２）。そして、合流点Ｃ１と接続点Ｊ１との間の希釈配管４１Ａは、左ルートおよび右ルートで共有されているため、圧損体４２Ａ、４２Ａと接続点Ｊ１との間、すなわち、圧損体４２Ａ、４２Ａと配管３２ｄ内のカソードオフガス流路との間において、右ルートに係る流路容積は左ルートに係る流路容積よりも大きくなっている。つまり、圧損体４２Ａ、４２Ａと接続点Ｊ１（カソードオフガス流路）との間において、右ルートに係る流路容積と左ルートに係る流路容積とは異なっている。

［圧損体］
圧損体４２Ａ、４２Ａは、分岐点Ｔ１と合流点Ｃ１との間の希釈流路Ｗ１、Ｗ２内に、希釈配管４１Ａの内面から同一の突出量で突出するようにして、それぞれ設けられており、希釈流路Ｗ１、Ｗ２を流通するアノードオフガスに、同一の圧力損失を与えることにより、各圧損体４２Ａの下流側のアノードオフガスの圧力を同一に設定し、これにより、各圧損体４２Ａ下流側の希釈流路Ｗ１、Ｗ２を流れるアノードオフガスの流量を等しくなるように設定するものである。

さらに説明すると、例えば、アノードオフガスが希釈配管４１Ａに流れ込んだ後のある瞬間において、各圧損体４２Ａの上流側は同一の圧力Ｐ０に、各圧損体４２Ａの下流側は同一の圧力Ｐ１となる。これにより、前記ある瞬間において、各圧損体４２Ａの下流側のカソードオフガスの流量Ｑ１は等しくなるように設定されている。
なお、圧損体４２Ａ、４２Ａの大きさは、流量Ｑ１、Ｑ１が異なる流路容積Ｖ１と流路容積Ｖ２の影響を受けないために、希釈流路Ｗ１、Ｗ１の流路断面積が部分的に小さくなるように設定する。

［逆止弁］
左ルート、右ルートに設けられた逆止弁４３、４３は、同一仕様のものであり、分岐点Ｔ１と２つの圧損体４２Ａとの間における希釈流路Ｗ１、Ｗ２にそれぞれ設けられた逆流防止手段である。これにより、希釈流路Ｗ１、Ｗ２に流れ込んだアノードオフガスの逆流が防止されるようになっている。このような逆止弁４３としては、公知のものから適宜に選択して使用することができる。

ここで、第１実施形態において、特許請求の範囲における「アノードから排出された水素を複数に分けてカソードオフガス（希釈用ガス）が流通するカソードオフガス流路（希釈用ガス流路）に導入する水素導入手段」は、希釈配管４１Ａと、圧損体４２Ａ、４２Ａを備えて構成されている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などから構成されている。ＥＣＵ５０は、遮断弁２２、水素パージ弁２４およびコンプレッサ３１と電気的に接続しており、これらを適宜に制御するようになっている。また、ＥＣＵ５０は、イグニッションスイッチ（図示しない）と電気的に接続しており、これに連動するようになっている。

≪燃料電池システムの作用≫
次に、燃料電池システムＳの動作について、図１を参照して簡単に説明する。
燃料電池自動車の運転者によって、イグニッションスイッチがＯＮされるとＥＣＵ５０が起動する。起動したＥＣＵ５０は、遮断弁２２を開いてアノード１２に水素を送り、コンプレッサ３１を作動させてカソード１３に酸素を含む加湿空気を送ると共に、水素パージ弁２４を閉じて水素を循環させて、燃料電池１０が発電可能な状態とする。このような状態で、燃料電池１０がその出力端子に接続した外部負荷からの電力要求を受けると、燃料電池１０は通常に発電する。なお、このようにコンプレッサ３１が作動する間、カソードオフガスが配管３２ｃ、配管３２ｄ内を順に流れている。

このようにして、燃料電池１０が通常に発電している状態で、ＥＣＵ５０がセル電圧検知モニタを介して、所定のセル電圧に対してセル電圧が低下したことを検知すると、ＥＣＵ５０はアノードオフガス中に含まれる水分や窒素などの不純物の量が多いと推定する。次いで、ＥＣＵ５０は水素パージ弁２４を一時的に開き、不純物が含まれるアノードオフガスを排出し、希釈器４０Ａに送り込む。

＜希釈器の作用・効果＞
次に、このようにしてアノードオフガスが送り込まれた希釈器４０Ａの作用・効果について、図２および図３を参照して説明する。
図２に示すように、希釈器４０Ａに送り込まれた水素を含むアノードオフガスは、配管２４ｃ内から希釈配管４１Ａ内、つまり希釈流路Ｗ１、Ｗ２に進み、分岐点Ｔ１でアノードオフガスの量（体積）が二つに分けられる。そして、二つに分けられたアノードオフガスは、左ルートおよび右ルートに係る希釈流路Ｗ１、Ｗ２をそれぞれ進み、逆止弁４３をそれぞれ開き、圧損体４２Ａにそれぞれ到達した後、通り抜ける。

左ルートおよび右ルートの両方において、アノードオフガスが圧損体４２Ａを通り抜けた後のある瞬間において、各圧損体４２Ａの上流側は圧力Ｐ０に、下流側は圧力Ｐ１になる。そして、各圧損体４２Ａの下流側の希釈流路Ｗ１、Ｗ２を流通するアノードオフガスの流量はいずれも流量Ｑ１になる。

このような流量Ｑ１のアノードオフガスは、左ルートでは圧損体４２Ａと合流点Ｃ１との間における流路容積Ｖ１の希釈流路Ｗ１部分を流れ、右ルートでは圧損体４２Ａと合流点Ｃ１との間における流路容積Ｖ２の希釈流路Ｗ２部分を流れる。
ここで、右ルートの流路容積Ｖ２は左ルートの流路容積Ｖ１よりも大きいため（Ｖ２＞Ｖ１）、左ルートを辿るアノードオフガスの流速ｆ１は、右ルートを辿るアノードオフガスの流速ｆ２よりも高くなる（ｆ１＞ｆ２）。したがって、左ルートを辿るアノードオフガスが合流点Ｃ１に到達した後、右ルートを辿るアノードオフガスが合流点Ｃ１に到達する。
すなわち、合流点Ｃ１の下流側の接続点Ｊ１では、（１）左ルートからのアノードオフガスが到達し、カソードオフガスによって希釈された後、（２）右ルートからのアノードオフガスが到達し、カソードオフガスによって希釈される。

このことについて、水素パージ弁２４の開／閉のタイミングと、希釈器４０Ａの上流側の測点Ｘ１における水素濃度のピークと、希釈器４０Ａの下流側の測点Ｙ１における水素濃度のピークとを示した図３を参照して、さらに説明する。

図３（ａ）に示すように、ＥＣＵ５０によって水素パージ弁２４が所定時間の間にて１回開かれると、分岐点Ｔ１の上流側の測点Ｘ１では、図３（ｂ）に示すように、水素パージ弁２４が１回開かれたことで排出されたアノードオフガスに含まれる水素に対応した１つのピークＨ１が検出される。

これに対して、接続点Ｊ１の下流側の測点Ｙ１では、前記したように接続点Ｊ１において、左ルートからのアノードオフガス中の水素、右ルートからのアノードオフガス中の水素が順次に到達し、カソードオフガスで希釈されるため、図３（ｃ）に示すように、左ルートを経由したアノードオフガス中の水素に対応したピークＨ２、右ルートを経由したアノードオフガス中の水素に対応したピークＨ３が、順次に検出される。

このように第１実施形態に係る希釈器４０Ａによれば、水素パージ弁２４が１回にて開かれたことで排出されたアノードオフガスを、アノードオフガスを２つに分け、この２つに分けられたアノードオフガスを、接続点Ｊ１においてタイミングをずらしてカソードオフガスに導入するため、アノードオフガスに含まれる水素を効率的に希釈し、水素濃度を確実に低下させた後、外部に排出することができる。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図４を参照して説明する。図４は、第２実施形態に係る希釈器の構成図である。

図４に示すように、第２実施形態に係る希釈器４０Ｂは、希釈配管４１Ａ（図２参照）代えて、希釈配管４１Ｂを備えている。希釈配管４１Ｂは、図４に示すように対称となっている。すなわち、左ルートの圧損体４２Ａと合流点Ｃ１との間における流路容積Ｖ１と、右ルートにおける後記する圧損体４２Ｂと合流点Ｃ１との間における流路容積Ｖ１とは、同一である。つまり、圧損体４２Ａ、４２Ｂと接続点Ｊ１（カソードオフガス流路）との間において、右ルートに係る流路容積と左ルートに係る流路容積とは等しくなっている。

また、希釈器４０Ｂは、その右ルートにおいて、第１実施形態に係る圧損体４２Ａに代えて、圧損体４２Ｂを備えている。圧損体４２Ｂの希釈配管４１Ｂの内面からの突出量は、左ルートにおける圧損体４２Ａの突出量よりも大きくなっている。

これにより、アノードオフガスが希釈配管４１Ｂに流れ込み、左ルートおよび右ルートに分かれ、圧損体４２Ａ、４２Ｂを通り抜けた後のある瞬間において、右ルートの圧損体４２Ｂの下流側は、左ルートの圧損体４２Ａの下流側の圧力Ｐ１よりも低い圧力Ｐ２になる（Ｐ１＞Ｐ２）。すなわち、前記ある瞬間において、右ルートの圧損体４２Ｂの下流側のアノードオフガスの流量Ｑ２は、左ルートの圧損体４２Ａの下流側のアノードオフガスの流量Ｑ１よりも小さくなる（Ｑ１＞Ｑ２）。つまり、異なる圧損体４２Ａ、４２Ｂによって、これらの下流側のアノードオフガスの流量が、異なる流量Ｑ１と流量Ｑ２となるように設定されている。

したがって、左ルートの圧損体４２Ａと合流点Ｃ１との間を流れるアノードオフガスの流速ｆ１は、右ルートの圧損体４２Ｂと合流点Ｃ１との間を流れるアノードオフガスの流速ｆ３より、高くなる（ｆ１＞ｆ３）。

したがって、第２実施形態に係る希釈器４０Ｂにおいても、第１実施形態に係る希釈器４０Ａ（図２参照）と同様に、合流点Ｃ１には、左ルートからのアノードオフガスが到達した後、右ルートからのアノードオフガスが到達する。すなわち、合流点Ｃ１の下流側の接続点Ｊ１には、（１）左ルートからのアノードオフガスが到達し、これに含まれる水素がカソードオフガスによって希釈された後、（２）右ルートからのアノードオフガスが到達し、これに含まれる水素が希釈される。

このようにして、第２実施形態に係る希釈器４０Ｂによっても、水素パージによって排出されたアノードオフガスを２つに分け、この２つに分けられたアノードオフガスを接続点Ｊ１においてタイミングをずらしてカソードオフガスに導入し、カソードオフガスでアノードオフガスに含まれる水素を効率的に希釈し、水素濃度を低下させた後に、排気することができる。

≪第３実施形態≫
次に、本発明の第３実施形態について、図５および図６を参照して説明する。図５は、第３実施形態に係る希釈器の構成図である。図６は、第３実施形態に係る希釈器の作用・効果を示すグラフである。

図５に示すように、第３実施形態に係る希釈器４０Ｃは、２本の希釈流路Ｗ１、Ｗ２を構成するための希釈配管４１Ａ（図２参照）を備えておらず、チャンバ４４（水素導入手段）と、開閉弁４５（水素導入手段）と、ＥＣＵ５０（制御手段、水素導入手段）とを主に備えている。

チャンバ４４は、配管４４ｂを介して、配管２４ｃの下流側に接続している。チャンバ４４は、その内部に貯溜室４４ａを有しており、この貯溜室４４ａに水素パージ時に排出されたアノードオフガスを一時的に貯溜するようになっている。すなわち、チャンバ４４は、アノードオフガスを一時的に貯溜する貯溜容器として機能している。貯溜室４４ａの容積は、水素パージのより排出されるアノードオフガスの量よりも大きく設定する。

チャンバ４４の下流側は、配管４４ｃを介して、カソードオフガスが流通する配管３２ｄに、接続点Ｊ２で合流している。すなわち、チャンバ４４の下流側は、カソードオフガスが流通する配管３２ｄ内のカソードオフガス流路に、接続点Ｊ２で接続している。

開閉弁４５は、配管４４ｃ上に設けられており、開閉弁４５が開／閉されることによって、配管４４ｃ内のアノードオフガスの流通が規制（調整）されるようになっている。すなわち、開閉弁４５は、チャンバ４４内に貯溜されたアノードオフガスが配管３２ｄ内に流れることを規制する弁である。

開閉弁４５はＥＣＵ５０と電気的に接続しており、ＥＣＵ５０は開閉弁４５を適宜に開／閉するようになっている。すなわち、ＥＣＵ５０が開閉弁４５を開くと、開閉弁４５の開いた時間に応じて、チャンバ４４内のアノードオフガスが配管４４ｃを通って、接続点Ｊ２で流通するカソードオフガスに導入されるようになっている。

したがって、水素パージ弁２４が開かれ、チャンバ４４内にアノードオフガスが貯溜された後、図６（ａ）に示すように、ＥＣＵ５０が開閉弁４５を複数回（図６では３回）にて、開／閉することによって、チャンバ４４内のアノードオフガス、つまり、燃料電池１０から排出された水素を複数に分けて、カソードオフガスが流通する配管３２ｄ内に導入し、順次に希釈することができる。そして、希釈により水素濃度を確実に低下させた後、排気することができる。すなわち、図６（ａ）に示すように開閉弁４５を３回開いた場合、接続点Ｊ２の下流側の測点Ｙ２では、図６（ｂ）に示すように、水素を含むアノードオフガスの量は３つに分けられ、希釈された水素に対応した３つのピークＨ３が検出される。

また、図６（ａ）に示すように、ＥＣＵ５０により開閉弁４５を開く時間ｔ１、ｔ２、ｔ３は、徐々に長くなるように設定することが好ましい。このように開閉弁４５を開く時間ｔ１…を徐々に長くすれば、チャンバ４４内のアノードオフガスの排出により、チャンバ４４内の圧力が低下しても、接続点Ｊ２で配管３２ｄに導入されるアノードオフガスの量を一定に近づけることができ、これによりアノードオフガスに含まれる水素の希釈の程度の均一化を図ることができる。
このような水素の希釈の均一化を図るため、チャンバ４４内に圧力センサを設けると共に、チャンバ４４内の圧力と開閉弁４５が開かれたときに配管３２ｄに導入されるアノードオフガスの量とが関連付けられたマップデータをＥＣＵ５０に記憶させておき、ＥＣＵ５０がチャンバ４４内の圧力と前記マップデータとに基づいて、開閉弁４５を開く構成としてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。

前記した実施形態では、希釈器４０Ａ（燃料電池の排出ガス処理装置）が組み付けられた燃料電池システムＳが燃料電池自動車に搭載された場合について例示したが、燃料電池システムの使用態様はこれに限定されず、その他に例えば、家庭用の据え置き型の燃料電池システムであってもよい。

前記した第１実施形態に係る希釈器４０Ａでは、希釈流路Ｗ１、Ｗ２について、図２に示すように、分岐点Ｔ１から圧損体４２Ａ、４２Ａまでの流路長を等しく設定し、圧損体４２Ａ、４２Ａから流路長の等しい合流点Ｃ１で合流した後、接続点Ｊ１で配管３２ｄに接続する希釈配管４１Ａを備えたが、その他に例えば、図７に示すように、流路容積Ｖ１が小さいため流速ｆ１が高くなる希釈流路Ｗ１に係る左ルート寄りに分岐点Ｔ２を移動させると共に、左ルートと希釈流路Ｗ２に係る右ルートとを合流させずに、配管３２ｄに接続点Ｊ３、Ｊ４で接続する希釈配管４１Ｄを備える希釈器４０Ｄであってもよい。なお、流速ｆ１が高い左ルートに係る接続点Ｊ３は、流速ｆ２が低い右ルートに係る接続点Ｊ４よりも配管３２ｄの上流側に設定すると共に、分岐点Ｔ２と接続点Ｊ４との間において、希釈流路Ｗ１を含む左ルートを通る流路長と、希釈流路Ｗ２を含む右ルートを含む流路長とを等しくなるように設定する。

このような希釈器４０Ｄによれば、左ルートの圧損体４２Ａ下流側の流速ｆ１が高いため、左ルートの希釈流路Ｗ１を流れるアノードオフガスが、右ルートの希釈流路Ｗ２を流れるアノードオフガスよりも、時間的に早く、配管３２ｄ内を流通するカソードオフガスに到達することができる。これにより、左ルートを経由するアノードオフガス中の水素と、右ルートを経由するアノードオフガス中の水素とを、タイミングをずらしてカソードオフガス中に導入し、そして、効率的に希釈し、水素濃度を低下させた後、排気することができる。

前記した第１および第２実施形態では、分かり易くするために、希釈器４０Ａ、４０Ｂは２本の希釈流路Ｗ１、Ｗ２を備える場合について説明したが、希釈流路の数はこれに限定されず、３本、４本、５本であってもよい。すなわち、希釈配管４１Ａは、二股に分岐することに限らず、三股、四股、五股…に分岐する形態であってもよい。
第３実施形態に係る希釈器４０Ｃについても同様であり、チャンバ４４および開閉弁４５を並列で備える構成であってもよい。

前記した第１実施形態では、希釈配管４１Ａの内面に設けられた圧損体４２Ａによって、流量を設定する流量設定手段を構成したが、その他に例えば、希釈配管４１Ａを部分的に絞って、その流路断面積を小さくし、流量設定手段を構成してもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 第１実施形態に係る希釈器の構成図である。 第１実施形態に係る希釈器の作用・効果を示すグラフである。 第２実施形態に係る希釈器の構成図である。 第３実施形態に係る希釈器の構成図である。 第３実施形態に係る希釈器の作用・効果を示すグラフである。 変形例に係る希釈器の構成図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
１１ 電解質膜
１２ アノード
２４ 水素パージ弁
４０Ａ 希釈器（燃料電池の排出ガス処理装置）
４１Ａ 希釈配管（水素導入手段）
４２Ａ 圧損体（流量設定手段、水素導入手段）
Ｊ１ 接続点
Ｓ 燃料電池システム
Ｖ１、Ｖ２ 流路容積
Ｗ１、Ｗ２ 希釈流路

Claims (4)

1. 燃料電池のアノードから排出された水素を希釈用ガスで希釈して外部に排出する燃料電池の排出ガス処理装置であって、
   前記アノードから排出された水素を複数に分けて前記希釈用ガスが流通する希釈用ガス流路に導入する水素導入手段を備えたことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
2. 前記水素導入手段は、
   前記アノードから排出された水素が流れる排出水素流路を分岐すると共に、各下流側が前記希釈用ガス流路に接続した複数の希釈流路と、
   前記複数の希釈流路にそれぞれ設けられ、流量を設定する流量設定手段と、
   を備え、
   前記各流量設定手段の下流側の流量は等しくなるように設定されており、
   前記各流量設定手段と前記希釈用ガス流路との間の前記各希釈流路の流路容積は異な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. 前記水素導入手段は、
   前記アノードから排出された水素が流れる排出水素流路を分岐すると共に、各下流側が前記希釈用ガス流路に接続した複数の希釈流路と、
   前記複数の希釈流路にそれぞれ設けられ、流量を設定する流量設定手段と、
   を備え、
   前記各流量設定手段の下流側の流量は異なるように設定されており、
   前記各流量設定手段と前記希釈用ガス流路との間の前記各希釈流路の流路容積は等しい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。
4. 前記水素導入手段は、
   前記アノードから排出された水素を貯溜すると共に、その下流側が前記希釈用ガス流路に接続したチャンバと、
   前記チャンバと前記希釈用ガス流路との間に設けられた開閉弁と、
   前記開閉弁の開／閉を制御する制御手段と、
   を備えた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。

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