JP2009129585A - 燃料電池の水素パージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の水素パージ装置において、放出弁と希釈装置との間を簡素な構成による導管で接続すると共に、パージされるアノードオフガスによる発生音を低減することができるようにする。
【解決手段】希釈装置３４内には消音部４０が貫入されている。消音部４０は、これの内部が中空の筒状であり、一方の端部４２が導管３６と接続しており、他方の端部４４が希釈装置３４内に開口している。消音部４０の断面積は、導管３６の断面積より大きい。これにより、導管３６から消音部４０に導入されるアノードオフガスの流速が低減し、その流速でアノードオフガスが希釈装置３４内に噴出する。この結果、希釈装置３４内で発生する音を低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の水素パージ装置、特にパージされるアノードオフガスと空気とを混合してアノードオフガスを希釈する希釈装置内部の構造に関する。

燃料電池は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）とを電気化学反応させて発電を行なう装置である。この燃料電池においては、燃料電池から排出されるアノードオフガスを循環管路によって再度燃料電池に循環させて再利用することにより、燃料利用効率の向上が図られている。

このような燃料電池においては、一時的に低下した燃料電池の電圧を回復させる場合や、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整する場合などに、アノードオフガスを外部に放出する動作（パージ）が行なわれる。このパージは、燃料電池に設けられる水素パージ装置により行なわれる。水素パージ装置は、放出弁と、希釈装置と、これらを接続して放出弁から希釈装置にアノードオフガスを導く導管とにより構成される。放出弁は、アノードオフガスを再度燃料電池に循環させる循環管路からアノードオフガスを放出する。希釈装置は、放出弁から放出されるアノードオフガスと空気とを混合してアノードオフガスを希釈し、可燃性のガスであるアノードオフガスを燃焼限界より低い濃度にして外部に放出する。

下記特許文献１には、パージされたガスを希釈装置へ導入するための管路が、これの断面積が上流側から下流側に向けて徐々に大きくなって希釈装置に接続される構造が記載されている。この構造によれば、上記管路よりも大幅に大きな断面積を有する希釈装置の内部にガスが導入される際に、ガスの流路の断面積が急激に拡大することに起因する不具合を防止することができる。

特開２００６−２９４２９７号公報

上記特許文献１のような希釈装置とこれに接続する管路との構造においては、希釈装置に向けて管路の断面積が徐々に大きくなるので、管路を流れるアノードオフガスの流速が徐々に遅くなり、アノードオフガスが管路から希釈装置に一気に噴出する際に発生する音を低減することができる。

ところで、アノードオフガスには燃料電池の電気化学反応により生成される水分が含まれる。このため、低温時、水素パージ装置の導管を流れるアノードオフガスに含有する水分が凍結すると、導管が閉塞してしまうという問題があった。これを防止するために、凍結し易い導管の管路をできるだけ短くする必要がある。しかし、管路をできるだけ短くすると、上記特許文献１のような構造、すなわち導管の断面積が上流側から下流側に向けて徐々に大きくなるような構造にすることができず、希釈装置内で生じるアノードオフガスの音を低減することができなくなってしまう。

本発明の目的は、放出弁と希釈装置との間を簡素な構成による導管で接続すると共に、パージされるアノードオフガスによる発生音を低減することができる燃料電池の水素パージ装置を提供する。

本発明は、燃料電池から排出されるアノードオフガスを再度燃料電池に循環させる循環管路に設けられ、この循環管路内をパージするときにアノードオフガスを外部に放出する放出弁と、前記放出弁から放出されるアノードオフガスと空気とを混合してアノードオフガスを希釈する希釈装置と、前記放出弁と前記希釈装置とを接続し、前記放出弁から前記希釈装置にアノードオフガスを導く導管と、を有する燃料電池の水素パージ装置において、前記希釈装置内に貫入され、一方が導管の端部と接続し、他方が前記希釈装置内に開口している消音部であって、前記導管から前記希釈装置内にアノードオフガスが噴出するときの音を消音する消音部を有することを特徴とする。

また、前記消音部の開口の断面積を前記導管の断面積より大きくすることができる。

また、前記消音部は、アノードオフガスの噴出による衝撃を緩衝するために、前記消音部の胴体の断面積が前記消音部の開口と前記導管との断面積より大きく形成されたバッファを有することができる。

また、前記消音部は、これの胴体にアノードオフガスを前記希釈装置内に拡散させる拡散孔を複数有することができる。

さらに、前記放出弁の下流側の流路である前記導管の断面積を前記放出弁の上流側の流路の断面積より大きくすることができる。

本発明の燃料電池の水素パージ装置によれば、放出弁と希釈装置との間を簡素な構成による導管で接続すると共に、パージされるアノードオフガスによる発生音を低減することができる。

以下、本発明に係る燃料電池の水素パージ装置の実施形態について、図を用いて説明する。一例として、燃料電池が発電した電力で走行する自動車、すなわち燃料電池自動車を挙げ、この自動車に搭載される燃料電池システムと燃料電池の水素パージ装置について説明する。

図１は、燃料電池システム１０の概略構成について示す図である。燃料電池システム１０は、２種の反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を行なう燃料電池１２を有する。なお、本実施形態の燃料電池システム１０に用いられる燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは空気である。

燃料電池１２には、これの燃料極（図示せず）に燃料ガスを供給する燃料ガス管路（以降、水素管路と記す）１４と、燃料電池１２の空気極（図示せず）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス管路（以降、空気管路と記す）１６とが接続されている。

また、燃料電池１２には、燃料極から排出される燃料ガス（以降、アノードオフガスと記す）を水素管路１４に戻し、そのアノードオフガスを燃料電池１２に循環させる循環管路１８と、空気極から排出される排出酸化剤ガス（排出空気）を外部へ放出する排出管路２０とが接続されている。

燃料電池１２は、例えばフッ素樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜を有する固体高分子型の燃料電池である。この電池の単位セル（図示せず）は、電解質膜を燃料極と空気極とで挟んで構成される膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を、二枚のセパレータで更に挟んで構成される。この単位セルを複数積層することにより、燃料電池１２が構成される。

燃料電池システム１０は、燃料ガスを燃料電池１２に供給する供給源として、貯蔵タンク２２を有する。貯蔵タンク２２は、燃料ガスを高圧状態にして貯蔵する。貯蔵タンク２２と燃料電池１２とは、水素管路１４で接続される。水素管路１４には、貯蔵タンク２２の近傍に燃料ガス制御弁２４が取り付けられている。燃料ガス制御弁２４は、燃料電池１２に要求される電力に応じて、貯蔵タンク２２から燃料電池１２に供給される燃料ガスの流量及び圧力を制御する。

また、水素管路１４には、燃料ガス制御弁２４の下流側に循環管路１８が接続されている。循環管路１８には、燃料電池１２から水素管路１４に接続する部分までの間に、気液分離装置２６と循環装置２８とが順に設けられている。燃料電池１２から排出されるアノードオフガスには、未反応の燃料ガスと、電気化学反応により生成される水（水蒸気も含む）とが含まれる。気液分離装置２６は、アノードオフガスに含まれる水を分離する。気液分離装置２６には、後述する水素パージ装置３０が接続されている。循環装置２８は、ポンプ（図示せず）を内蔵し、このポンプの動作により、燃料電池１２から排出されるアノードオフガスを水素管路１４に送り出す。

燃料電池１２の空気極の入口側に接続する空気管路１６は、その端部を外部に開放している。空気管路１６には、空気ポンプ２９が設けられ、この空気ポンプ２９の動作により、外部から燃料電池１２に空気が供給される。一方、燃料電池１２の空気極の出口側に接続する排出管路２０は、後述する水素パージ装置３０に接続しており、この装置３０を介して外部に開放している。

水素パージ装置３０は、放出弁３２と、希釈装置３４と、それらを接続する導管３６により構成される。放出弁３２は、気液分離装置２６に放出管路３８を介して接続される。放出弁３２は、通常時の場合、気液分離装置２６でアノードオフガスから分離された水を放出する。一方、パージ時の場合、気液分離装置２６でアノードオフガスから分離された水と共にアノードオフガスを放出する。導管３６は、管路ができるだけ短く簡素な構成である。

希釈装置３４は、排出管路２０の途中に設けられている。希釈装置３４は、その内部が中空になっており、燃料電池１２から排出される空気が排出管路２０を介して導入される。また、希釈装置３４には、導管３６が接続されており、パージ時において、アノードオフガスが導入される。希釈装置３４の内部において、アノードオフガスと燃料電池１２から排出される空気とが混合してアノードオフガスが希釈される。希釈されたアノードオフガスは、排出管路２０から外部に放出される。アノードオフガスは、本実施形態においては水素ガスであり可燃性のガスであるので、希釈装置３４を通過せずにそのまま外部に排出されると何らかの火種により燃焼してしまう危険性がある。そこで、上述したような希釈装置３４によりアノードオフガスを希釈して外部に放出することにより、アノードオフガスの濃度を燃焼限界より低くし、そのような危険性を未然に防止している。なお、アノードオフガスを希釈するために用いられる空気は、燃料電池１２から排出されるものに限らず、外部にある空気とすることもできる。

周知のように、高圧のガスが狭い空間から広い空間に一気に噴出すると音が発生する。本実施形態においては、パージ時において、放出弁３２から放出されたアノードオフガスが導管３６（狭い空間）から希釈装置３４（広い空間）に噴出するとき、音が発生する。この音は、燃料電池自動車に搭乗する搭乗者にとっては、聞き慣れない音であるので騒音になってしまうという問題があった。そこで、本発明にかかる水素パージ装置３０は、希釈装置３４内に貫入され、一方が導管３６の端部と接続し、他方が希釈装置３４内に開口している消音部であって、導管３６から希釈装置３４内にアノードオフガスが噴出するときの音を消音する消音部を有することを特徴とする。以下、具体的な態様について図２から５を用いて説明する

図２は、第１実施形態における水素パージ装置３０を示す図である。希釈装置３４内には消音部４０が貫入されている。消音部３４は、これの内部が中空の筒状であり、一方の端部４２が導管３６と接続しており、他方の端部４４が希釈装置３４内に開口している。本実施形態における消音部４０の断面積は、導管３６の断面積より大きい。これにより、導管３６から消音部４０に導入されるアノードオフガスの流速が低減し、その流速でアノードオフガスが希釈装置３４内に噴出する。したがって、導管３６から直接希釈装置３４内にアノードオフガスが噴出するときより消音部４０を介してアノードオフガスが噴出するときのほうが、希釈装置３４内で発生する音を低減することができ、消音効果を発揮する。

この実施形態においては、消音部４０が筒状である場合について説明したが、これに限定されない。消音部４０が一方の端部４２から他方の端部４４に徐々に広がる円錐状とすることができる。消音部４０の他方の端部４４の断面積が導管３６の断面積より大きければ、導管３６から消音部４０を介して希釈装置３４内に導入されるアノードオフガスの流速が減速するので、希釈装置３４内で発生する音を低減することができる。

図３は、第２実施形態における水素パージ装置３０を示す図である。第１実施形態と同様に、希釈装置３４内に消音部４０が貫入され、消音部４０の一方の端部４２が導管３６と接続しており、他方の端部４４が希釈装置３４内に開口している。本実施形態における消音部４０は、これの胴体部にバッファ４６を有する。バッファ４６の断面積は、一方及び他方の端部４２，４４の断面積より大きい。この構成により、アノードオフガスが一気に流れていくことによる衝撃を緩衝することができる。その結果、導管３６から消音部４０を介して希釈装置３４内に導入されるアノードオフガスの流速が減速するので、希釈装置３４内で発生する音を低減することができる。

図４は、第３実施形態における水素パージ装置３０を示す図である。第１実施形態と同様に、消音部４０は、これの内部が中空の筒状であり、一方の端部４２が導管３６と接続しており、他方の端部４４が希釈装置３４内に開口している。また、第１実施形態と同様に、消音部４０の断面積は、導管３６の断面積より大きい。本実施形態における消音部４０は、これの胴体部にアノードオフガスを希釈装置３４内に拡散させる拡散孔４８を複数有する。拡散孔４８からアノードオフガスが希釈装置３４内に拡散され、消音部４０内を通過するアノードオフガスの流量が低減するので、そこを通過するアノードオフガスの流速も減速する。結果として、希釈装置３４内で発生する音を低減することができる。

第３実施形態においては、消音部４０の断面積が導管３６の断面積より大きい場合について説明したが、これに限定されない。消音部４０の断面積と導管３６のそれとを同じにすることもできる。また、この実施形態においては、消音部４０が筒状である場合について説明したが、これに限定されない。消音部４０が一方の端部４２から他方の端部４４に徐々に広がる円錐状とすることができる。消音部４０の他方の端部４４の断面積が導管３６の断面積より大きければ、導管３６から消音部４０を介して希釈装置３４内に導入されるアノードオフガスの流速が減速するので、希釈装置３４内で発生する音を低減することができる。

図５は、第４実施形態における水素パージ装置３０を示す図である。放出弁３２の下流側の流路である導管３６の断面積が放出弁３２の上流側の流路である放出管３８の断面積より大きい。第１実施形態と同様に、消音部４０は、これの内部が中空の筒状であり、一方の端部４２が導管３６と接続しており、他方の端部４４が希釈装置３４内に開口している。本実施形態における消音部４０は、導管３６の断面積と同じ断面積を有する。この構成により、放出弁３２の上流側の放出管３８から下流側の導管３６に向けて断面積が大きくなるため、導管３６を流れるアノードオフガスの流速が放出管３８のときより減速する。したがって、導管３６から消音部４０を介して希釈装置３４内に導入されるアノードオフガスの流速も減速しているので、希釈装置３４内で発生する音を低減することができる。

上記各実施形態においては、アノードオフガスが流れる部分の断面積を大きくすることでアノードオフガスの流速を減速させる場合について説明したが、この構成に限定されない。希釈装置３４に貫入される消音部４０の長さをより長くすることもできる。消音部４０の長さを長くすると、アノードオフガスが流れることにより生じる圧力損失が大きくなり、結果として流速を減速させることができる。

燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムの概略構成を示す図である。 第１実施形態における水素パージ装置を示す図である。 第２実施形態における水素パージ装置を示す図である。 第３実施形態における水素パージ装置を示す図である。 第４実施形態における水素パージ装置を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池、１８ 循環管路、３０ 水素パージ装置、３２ 放出弁、３４ 希釈装置、３６ 導管、４０ 消音部、４６ バッファ、４８ 拡散孔。

Claims (5)

1. 燃料電池から排出されるアノードオフガスを再度燃料電池に循環させる循環管路に設けられ、この循環管路内をパージするときにアノードオフガスを外部に放出する放出弁と、
   前記放出弁から放出されるアノードオフガスと空気とを混合してアノードオフガスを希釈する希釈装置と、
   前記放出弁と前記希釈装置とを接続し、前記放出弁から前記希釈装置にアノードオフガスを導く導管と、
   を有する燃料電池の水素パージ装置において、
   前記希釈装置内に貫入され、一方が導管の端部と接続し、他方が前記希釈装置内に開口している消音部であって、前記導管から前記希釈装置内にアノードオフガスが噴出するときの音を消音する消音部を有する、
   ことを特徴とする燃焼電池の水素パージ装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池の水素パージ装置において、
   前記消音部の開口の断面積が前記導管の断面積より大きいことを特徴とする燃料電池の水素パージ装置。
3. 請求項１に記載の燃料電池の水素パージ装置において、
   前記消音部は、アノードオフガスの噴出による衝撃を緩衝するために、前記消音部の胴体の断面積が前記消音部の開口と前記導管との断面積より大きく形成されたバッファを有することを特徴とする燃料電池の水素パージ装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池の水素パージ装置において、
   前記消音部は、これの胴体にアノードオフガスを前記希釈装置内に拡散させる拡散孔を複数有することを特徴とする燃料電池の水素パージ装置。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池の水素パージ装置において、
   前記放出弁の下流側の流路である前記導管の断面積が前記放出弁の上流側の流路の断面積より大きいことを特徴とする燃料電池の水素パージ装置。

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