JP2007018857A - 燃料電池の水素ガス希釈装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 水素ガス希釈装置40は、燃料電池10のアノード12から排出された水素が流れる排出水素導入路P1と、排出水素導入路P1に連結され、水素を希釈する希釈ガスが流れる希釈ガス導入路P2と、排出水素導入路P1と希釈ガス導入路P2との合流点aより上流の排出水素導入路P1に設けられて、水素の流速を低減させる流速低減手段と、を備えている。
【選択図】 図1
Description
また、従来は、その高濃度の水素が外部に排出されるのを防止するために、カソードオフガス経路内に逆止弁などを設けて、水素の逆流を抑制している。
このような特許文献1の水素オフガス排出方法では、合流点より下流に混合ガスに含まれる水素の濃度をさらに低減させるために、コンバータや白金触媒を設けなければならないという問題点があった。
図1は、本実施形態に係る燃料電池の水素ガス希釈装置の構成を示すブロック図である。
まず、図1を参照し、本発明の実施形態に係る燃料電池10の水素ガス希釈装置40を備えた燃料電池システムSについて説明する。燃料電池システムSは、例えば、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燃料電池自動車に搭載されている。
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)を供給および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)を供給および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の下流位置で燃料電池10から排出される水素を希釈して燃料電池自動車の外部に排出する水素ガス希釈装置40と、イグニッションスイッチIGなどのその他機器と、これらを制御する制御部60と、を主に備えている。
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、制御部60と電気的に接続されて、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。
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、この水素タンク21からの水素の流出を調整する遮断弁22と、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(以下、「水素オフガス」という)を循環させるためのエゼクタ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に接続されている。遮断弁22は、制御部60と電気的に接続されており、制御部60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に接続されており、エゼクタ23は、配管23aを介して燃料電池10のアノード12に接続されている。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、制御部60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20の水素排出側には、水素パージ弁24と、水素チャンバ41と、オリフィス42と、が備えられている。このアノード系20の水素排出側には、燃料電池10から排出された水素オフガスをエゼクタ23に循環する水素循環流路(配管24b)と、燃料電池10のアノード12から排出された水素オフガス(水素)が流れる排出水素導入路P1と、この排出水素導入路P1とカソードオフガスが排出される希釈ガス導入路P2との合流点aと、が備えられている。
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、後記する制御部60と電気的に接続されている。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)とに電気的に接続されており、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に接続されており、加湿空気がカソード13に送られるようになっている。
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を介して合流点aに接続されている。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を介して合流点aに供給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。
前記水素ガス希釈装置40は、図1に示すように、前記排出水素導入路P1と、この排出水素導入路P1に連結され、水素を希釈する希釈ガスが流れる希釈ガス導入路P2と、排出水素導入路P1と希釈ガス導入路P2との合流点aより上流の前記排出水素導入路P1に設けられて、水素オフガスの流速を低減させる水素チャンバ(流速低減手段)41と、を少なくとも備えている。その他に、水素ガス希釈装置40には、水素チャンバ41の下流に設けられたオリフィス42と、排出水素導入路P1と希釈ガス導入路P2との合流点aと、この合流点aでカソードオフガスによって希釈した水素オフガスを外部に排出するための配管32eと、を備えてなる。
排出水素導入路P1は、燃料電池10から排出された水素を、希釈ガス導入路P2の希釈ガスと合流する合流点aへ導くための流路である。この排出水素導入路P1は、配管24a,24c,41a,42aと、水素チャンバ41と、オリフィス42と、合流点aとから構成されている。
水素チャンバ(流速低減手段)41は、水素パージ弁24とオリフィス42との間に介在されて、水素パージ時に水素パージ弁24から勢い良く流れて来た水素オフガスの流速を低減させてから下流の合流点aに流すように配設された空ごう(室)である。すなわち、水素チャンバ41は、排出水素導入路P1の水素を含んだ多量の水素オフガスが、希釈ガス導入路P2との合流点aから排気用の配管32eへ一気に流れないように、しかも、パージ弁24から流出する水素の勢いを殺ぐことなく水素オフガスの流速を減速させて少しずつ流れるようにするためのものである。
なお、水素チャンバ41および後記オリフィス42は、特許請求の範囲に記載の「流速低減手段」に相当する。
オリフィス42は、水素チャンバ41に接続された配管41aと、合流点aに接続された配管42aとの間に介在されて、排出水素導入路P1の断面積を減少させて水素オフガスの流量を抑える絞りからなる。このオリフィス42は、例えば、小孔が穿設された板材からなる絞りからなり、水素パージ時の水素オフガスの流れの衝撃を吸収する機能もある。
合流点aは、例えば、未反応の水素を含んだ水素オフガスが流れる排出水素導入路P1と、カソードオフガス(希釈ガス)が流れる希釈ガス導入路P2と、を接続するT字型やY字型の継手部材からなる。この合流点aには、排出水素導入路P1の配管42aと、希釈ガス導入路P2の配管32dと、外部排出用の配管32eとが接続されて、カソードオフガスによって水素を希釈してから外部側に向けて排出されるようになっている。
なお、合流点aは、排出水素導入路P1と希釈ガス導入路P2とを単に溶接して接続したものでもよい。
イグニッションスイッチIGは、燃料電池自動車の起動スイッチであるとともに、燃料電池システムSの起動スイッチである。そして、イグニッションスイッチIGは、制御部60と電気的に接続しており、制御部60の制御は、イグニッションスイッチIGのON/OFFに連動している。なお、イグニッションスイッチIGがOFFされると、燃料電池10は発電を停止するようになっている。
制御部60は、例えば、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。制御部60は、遮断弁22と、水素パージ弁24と、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。
次に、図1を参照して、燃料電池10の水素ガス希釈装置40の動作について説明する。
図1に示す水素パージ弁24が開かれて水素パージがあると、水素オフガスは、燃料電池10から排出水素導入路(配管24aと、水素パージ弁24と、配管24cと、水素チャンバ41と、配管41aと、オリフィス42と、配管42a)P1を介して合流点aに流れる。
図2は、本実施形態に係る燃料電池の水素ガス希釈装置の第1変形例を示すブロック図である。
前記した実施形態では、合流点aを、排出水素導入路P1と希釈ガス導入路P2とを溶接や継手などによって接続した場合について例示したが、これに限定されず、図2に示すように、合流点aとしての希釈器43を設けた水素ガス希釈装置401としてもよい。
このようにすることにより、水素パージ時に、排出水素導入路P1から流れて来た水素オフガスと、希釈ガス導入路P2から流れて来た希釈ガスとが、一時的に合流点aに貯留されて混合して希釈されるようになるため、合流点aにおける希釈処理能力を向上させることができる。
このように、合流点aの合流部分の形状などは、特に限定されない。
この場合、希釈器43には、水素オフガスが流れる排出水素導入路P1と、カソードオフガス(希釈ガス)が流れる希釈ガス導入路P2と、外気(希釈ガス)が流れる希釈ガス導入路P3と、が接続されて、カソードオフガスと外気とによって水素を希釈してから外部側に向けて排出されるようになっている。
また、合流点aで排出水素導入路P1に接続される希釈ガス導入路P2を配管33aのみにして、外気などの空気のみを希釈ガスとしてもよい。
図3は、本発明の実施形態に係る燃料電池の水素ガス希釈装置の他の変形例を示す要部概略図である。
図3に示すように、流速低減手段は、スチールウール、多孔質膜、あるいは高分子膜などの流体摩擦を起こさせて排出水素導入路P1内の圧力を低下させる圧力損失部材412を内設した水素チャンバ411でもよい。この場合、水素チャンバ411の上流側には、水素パージ弁24が接続され、その下流側には、水素を希釈する排出水素導入路P1と希釈ガス導入路P2との合流点aが接続されている。
12 アノード
24 水素パージ弁
24a,24c,32d,33a,41a,42a 配管
40,401 水素ガス希釈装置
41,411 水素チャンバ(流速低減手段)
42 オリフィス(流速低減手段)
43 希釈器(合流点)
412 圧力損失部材
a 合流点
P1 排出水素導入路
P2,P3 希釈ガス導入路
S 燃料電池システム
Claims (2)
- 燃料電池のアノードから排出された水素が流れる排出水素導入路と、
前記排出水素導入路に連結され、前記水素を希釈する希釈ガスが流れる希釈ガス導入路と、
前記排出水素導入路と前記希釈ガス導入路との合流点より上流の前記排出水素導入路に設けられて、前記水素の流速を低減させる流速低減手段と、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。 - 前記流速低減手段は、圧力損失部材を内設した水素チャンバからなるとともに、その上流側に水素パージ弁が接続され、その下流側に前記合流点が接続されたこと
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。
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