JP2007018857A - 燃料電池の水素ガス希釈装置 - Google Patents

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周治郎 野崎
Yasushi Kanai
靖司 金井
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薫 山崎
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Masahiro Matsutani
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Abstract

【課題】 燃料電池から排出される水素が一気に外部に排出されるのを抑制した燃料電池の水素ガス希釈装置を提供すること。
【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

本発明は、燃料電池から排出される水素の流速を落とすことができる燃料電池の水素ガス希釈装置に関する。
近年、水素がアノードに、空気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て発電する燃料電池の開発が盛んである。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が採用される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、この生成水の一部や、カソードに供給される空気に含まれる窒素などの異種ガス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や異種ガス量が高くなり、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や異種ガス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)とともに、水素パージされた水素を混合部または希釈器でカソードオフガスによって希釈して、外部に排出する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
この燃料電池システムでは、水素パージ時に、高圧で多量の水素が水分や異種ガスと共に合流点(混合部または希釈器)中に吹き込むようになっており、エア導入用配管からアノードオフガスが、カソードオフガスの上流側または下流側に流れ出して、高濃度の水素がカソードオフガスに混入していた。
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。
特開2002−289237号公報(段落0068および0102、図2および図8)
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、水素パージ時に、アノードオフガス(水素オフガス)が、カソードオフガス(希釈ガス)と合流する合流点(混合部または希釈器)に一気に流れ込むことにより、水素の希釈が良好に行われず、濃度の高い水素が外部に排出されるという問題点があった。
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。
そこで、本発明は、燃料電池から排出される水素が一気に外部に排出されるのを抑制した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。
前記課題を解決するための手段として、請求項1に記載の燃料電池の水素ガス希釈装置の発明は、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。
請求項1に記載の燃料電池の水素ガス希釈装置の発明によれば、燃料電池から排出された水素は、排出水素導入路と希釈ガス導入路との合流点より排出水素導入路の上流に流速低減手段を設けたことにより、排出水素導入路を流れる水素の流速が流速低減手段によって遅くなる。その結果、燃料電池から排出された水素は、流速が減少されて、ゆっくりと流れるようになるため、希釈ガス導入路に一気に流れ込むことが抑制されて、水素濃度の高いオフガスが外部に排出されないようになる。
請求項2に記載の燃料電池の水素ガス希釈装置の発明は、請求項1に記載の燃料電池の水素ガス希釈装置であって、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2に記載の燃料電池の水素ガス希釈装置の発明によれば、水素パージ時に燃料電池から水素パージ弁を介して瞬間的に勢いのある水素が排出されると、その水素は、容積がある水素チャンバ内の圧力損失部材を通過することによって、瞬間的なパージを許容した上で、流速が抑制されて遅くなる。このため、その水素は、少量ずつ水素チャンバから下流に送られるようになる。その結果、多量の水素が一気に排出水素導入路と希釈ガス導入路との合流点に流れ込むことがなくなるとともに、その合流点における水素パージの際の希釈時間を遅らせて、適量の水素が希釈ガスに混合して希釈されるようになる。
本発明の燃料電池の水素ガス希釈装置によれば、燃料電池から排出される水素が一気に外部に排出されるのを抑制することができる。
以下、本発明の一実施形態について、図1を参照して説明する。
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。
≪燃料電池システムの構成≫
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。
<燃料電池の構成>
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−水素供給側の配管接続関係>
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−水素排出側の配管接続関係>
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。
前記水素パージ弁24の上流側は、配管24aを介して、燃料電池10のアノード12の下流側に接続されており、燃料電池10のアノード12から排出された水素オフガスが、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。また、配管24aの下流側の途中位置には、エゼクタ23に接続するための配管24bが設けられて、水素循環流路を形成している。さらに、水素パージ弁24は、制御部60と電気的に接続されており、制御部60は、水素パージ弁24を適宜に開閉するようになっている。その水素パージ弁24には、排出水素導入路P1の流路方向に設けた配管24cを介して水素チャンバ41に接続されている。水素チャンバ41は、配管41a,42aおよびオリフィス42を介してカソードオフガス(希釈ガス)が流れる配管32dとの合流点aに接続されている。合流点aは、下流側を排気用の配管32eに接続して希釈された水素オフガス(混合ガス)を大気中などの外部に排出され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、水素オフガス中の水分量(つまり、アノード12内の水分量)や異種ガスの濃度が高いと推定される場合(水素パージ時)、制御部60は、水素パージ弁24を開き、この水分量の高い水素オフガスが配管24cを介して水素ガス希釈装置40の水素チャンバ41、オリフィス42に送られるようになっている。なお、水素パージ時に、水素ガス希釈装置40に送られる水素オフガスには、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、水素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)、制御部60は、水素パージ弁24を閉じ、水素オフガスがエゼクタ23に戻され、水素が循環して効率的よく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−空気供給側の配管接続関係>
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。
<カソード系−空気排出側の配管接続関係>
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。
<燃料電池の水素ガス希釈装置の構成>
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。
<排出水素導入路の構成>
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)の構成>
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(流速低減手段)の構成>
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。
<合流点の構成>
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。
<その他機器の構成>
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。
≪水素ガス希釈装置の動作≫
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。
このとき、水素オフガスは、水素パージ弁24と合流点aとの間の排出水素導入路P1に水素チャンバ41が配設されていることにより、水素チャンバ41に一時的に貯留されて、流速が低減される。なお、水素パージ弁24から排出される水素の勢いは、水素チャンバ41の存在により殺がれることはない。その水素オフガスは、排出水素導入路P1にオリフィス42が設けられていることにより、流速が抑制されるため、配管42aから合流点aへゆっくりと少量ずつ流れるようになる。このように、水素パージ時には、水素チャンバ41とオリフィス42とによって、瞬時的に多量の水素オフガスが合流点aへ流れることが抑制される。このため、水素ガス希釈装置40の合流点aの下流には、水素オフガスとアノードオフガスを貯留したり、再度水素を希釈したりするための機器を設置する必要がなくなる。また、水素パージ弁24からは、勢い良く水素とともに水が排出される。
また、合流点aには、配管32dからカソードオフガス(希釈ガス)が流れ込んで合流する。このため、合流点aへ送り込まれた水素は、その合流点aで、カソードオフガスによって混合および希釈された後、配管32eから外部に排気される。
その合流点aでは、排出水素導入路P1に水素チャンバ41やオリフィス42を備えていない排出水素導入路を備えた水素ガス希釈装置と比較して、水素オフガスの流速が水素チャンバ41とオリフィス42とによって遅くなることにより、合流点aへ流れる流量が抑制されて少なくなっている。このため、水素オフガスは、時間をかけて少量ずつ希釈ガス(カソードオフガス)と合流して希釈されるようになり、水素が効率よく希釈されるようになる。
その結果、水素オフガスと希釈ガスとが合流する合流点aにおいて、水素パージ直後に、水素の濃度が瞬時的に上昇することを抑えることができる。これにより、規定値以上の高濃度の水素が燃料電池自動車の外部に排出されることが防止される。
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。
≪第1変形例≫
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。
また、希釈器43には、外気をコンプレッサ31によって加湿器32に送る配管31aの途中位置に、配管31bを分岐して設けて、その配管31bから開閉弁33および配管33aを介して希釈器43に接続し、希釈ガスとして外気が流れ込むようにしてもよい。
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。
このようにすることにより、水素オフガスは、水素チャンバ41に一時的に貯留されて、オリフィス42から少量ずつ希釈器43に流れ込んで、カソードオフガスと、外気とに混合し希釈されるようになるため、水素濃度がさらに低くなるように効率よく希釈することができるようになる。
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。
≪他の変形例≫
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。
このようにすることにより、水素パージ時に水素パージ弁24から瞬間的に勢いのある水素オフガスが排出されると、水素オフガスが、スチールウールまたは多孔質膜を通過することによって、瞬間的なパージを許容した上で、流動抵抗が発生することによって、流速が抑制されて遅くなる。このため、合流点aには、流速低減手段(水素チャンバ41、オリフィス42)で圧力損失して低速化された水素オフガスが少量ずつ送られる。このため、多量の水素オフガスが一気に希釈ガス導入路P2に流れ込むことがなくなるとともに、合流点aにおける水素パージの際の希釈時間を遅らせて、適量の水素が希釈ガスに混合されるようになる。その結果、水素の希釈が少量ずつ効果的に行われ、水素パージ時に水素濃度が瞬時的に上昇することを抑制することができる。
なお、前記した実施形態では、水素チャンバ41と、オリフィス42と、合流点aとを備えた燃料電池10の水素ガス希釈装置40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S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(図示せず)であってもよい。
また、前記した実施形態では、1本の排出水素導入路P1の水素パージ弁24の下流に、水素チャンバ41とオリフィス42とを設けた水素ガス希釈装置40の場合を説明したが、水素パージ弁24と合流点aとの間には、配管24c,41a,42aと水素チャンバ41(流速低減手段)とを並列に備えた排出水素導入路(図示せず)を複数配置してもよい。このようにすることにより、合流点aに流れる水素オフガスの流速を遅くして、その流量を適宜に調整することができる。
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。 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。 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。
符号の説明
10 燃料電池
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)

  1. 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。
  2. 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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