JP2009295303A - 燃料電池の排出ガス希釈装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料オフガスと、酸化オフガスとを適正に混合することができ、酸化オフガスによる水素ガスの希釈を適正に行うことができる燃料電池の排出ガス希釈装置を提供する。
【解決手段】排出ガス希釈装置１１の希釈容器１２の下部に補助希釈容器１３を設け、補助希釈容器１３の底板１３ａに燃料オフガス導入管１６を接続する。補助希釈容器１３の区画板１３ｃに燃料オフガス分流管２１を接続し、燃料オフガス分流管２１に分流ノズル２２を接続する。前記希釈容器１２に酸化オフガス導入管１７及び排出管１８を接続する。補助希釈容器１３の滞留室１４に導かれた燃料オフガスを燃料オフガス分流管２１及び分流ノズル２２によって分流し、各整流用筒体２３の分流通路２３ａに供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の排出ガス希釈装置に係り、詳しくは燃料電池から排出された燃料オフガス中に含まれる水素ガスを燃料電池から排出された酸化オフガスによって効率的に希釈して大気中に排出することができる燃料電池の排出ガス希釈装置に関する。

燃料電池は発電効率が高く、環境に優しいので、例えば内燃機関を有する自動車に代わる燃料電池車として期待され、実用化に向けた開発が進められている。
燃料電池システムにおいては、水素ガスが供給される燃料極及び空気中の酸素ガスが供給される酸化剤極とを備えた燃料電池により水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとを反応させて発電するようになっている。前記燃料電池の燃料極側から排出されるガスには、未反応の水素ガスも含まれるので、この水素ガスを有効利用するため、燃料極側の出口から燃料極の入口側に水素ガスを循環させるガス循環手段が設けられている。このガス循環手段のガス循環配管の途中には分離容器の内部に水素分離膜を収容して構成された気液分離器が接続されている。そして、前記気液分離器の水素分離膜により水素ガスと、水素ガス以外の窒素ガス等の他のガス及び発電時に生じた浸透水とを分離し、水素ガスを燃料電池へ還流し、他のガス及び浸透水を定期的に外部に排出するようになっている。さらに、前記気液分離器により水素ガスを完全に分離回収することは困難であるため、気液分離器から排出される燃料オフガスを希釈器に導くようになっている。又、燃料電池の酸化剤極側の出口から排出される酸化オフガス及び発電時に生じた生成水を前記希釈器に導くようになっている。そして、前記希釈器内で燃料オフガスと酸化オフガスとを混合することにより水素ガスの濃度を安全な基準値以下に希釈して大気中に放出する。

上記の水素ガスを希釈するために、従来、特許文献１に記載された燃料電池の排出ガス希釈装置が提案されている。この希釈装置は、図８及び図９に示すように構成されている。図８に示すように、四角箱状の収容体４１の図示左側壁部に燃料オフガスの導入用のアノード（燃料極）側排気管４２が接続されるとともに、収容体４１には酸化オフガスを導入するカソード（酸化剤極）側の上流側排気管４３が貫通されている。又、前記収容体４１の図示右側壁部には、前記上流側排気管４３と対応して下流側排気管４４が接続されている。前記収容体４１の内部には、前記アノード側排気管４２により導入された燃料オフガスを蛇行させて、前記上流側排気管４３と下流側排気管４４の隙間Ｇに導くための二枚の遮蔽板４５，４６が装着されている。そして、前記遮蔽板４５，４６により、燃料ガスの蛇行通路を形成して、水素ガスの滞留時間を長くし、希釈機能を向上するようになっている。

上記の希釈装置は、図９に二点鎖線で示す収容体４１内の隅部の空気を水素ガスの希釈に十分活用できないので、水素ガスを十分に希釈できない虞があるという問題があった。又、燃料オフガスが蛇行通路を流れるので、圧力損失が大きくなるという問題もあった。

一方、燃料電池の排出ガス処理装置として、従来、特許文献２に開示されたものも提案されている。この排出ガス処理装置は、図１０に示すように、燃料希釈器５１の図示右側壁に燃料オフガスの導入配管５２が接続されるとともに、底壁部の図示右側に酸化オフガスの導入配管５３が接続され、底壁部の図示左側に希釈されたガスの排出管５４が接続されている。さらに、前記燃料希釈器５１の内部には、複数枚の平板５５が互いに平行に設けられ、平行な分流通路５６が区画形成されている。そして、導入配管５２から燃料希釈器５１内に導入された燃料オフガス及び導入配管５３から導入された酸化オフガスを前記各分流通路５６内にそれぞれ分流させるとともに、分流通路５６内で両オフガスを混合させるようになっている。前記各分流通路５６によって、燃料希釈器５１の内部空間の全領域を有効に利用して混合オフガスの流れを適正化し、希釈効率を向上するようになっている。
特開２００７−１７９８９４号公報 特開２００５‐１５８５７６号公報

ところが、上記特許文献２に開示された排出ガス処理装置は、導入配管５２が一箇所のみに設けられ、該導入配管５２から前記各分流通路５６の各入口に至る間には、空間のみが設けられているので、次のような問題があった。すなわち、導入配管５３から燃料希釈器５１内に導入された矢印Ｑで示す酸化オフガスが矢印Ｐで示す燃料オフガスにあたって、燃料オフガスの流れが図示上側の分流通路５６に片寄るとともに、酸化オフガスの流れも図示下側の分流通路５６に片寄る傾向となる。このため、各分流通路５６に対する燃料オフガス及び酸化オフガスのそれぞれの適正な分流が妨げられ、燃料オフガスと、酸化オフガスの混合が適正に行われないので、酸化オフガスによる水素ガスの希釈を各分流通路５６においてそれぞれ適正に行うことができないという問題があった。

本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、燃料オフガスと、酸化オフガスとを適正に混合することができ、酸化オフガスによる水素ガスの希釈を適正に行うことができる燃料電池の排出ガス希釈装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ガスの希釈室を有する希釈容器に対し燃料電池の燃料極側の出口から排出される水素ガスを含む燃料オフガスを導入する燃料オフガス導入口を設けるとともに、燃料電池の酸化剤極側の出口から排出される酸化オフガスを導入する酸化オフガス導入口を設け、前記希釈室内で希釈された希釈ガスを外部に排出する希釈ガス排出口を設けた燃料電池の排出ガス希釈装置において、前記燃料オフガス導入口を複数箇所に離隔して配設したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記希釈室内には、酸化オフガス導入口から導入された酸化オフガスを複数に分流する分流通路が形成され、各分流通路に前記燃料オフガス導入口がそれぞれ対応するように配設されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記希釈室内には燃料オフガス導入管が配設され、該導入管には燃料オフガスを分流させる複数本の分流ノズルが離隔するように接続されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記各分流ノズルは分流通路内で燃料オフガスを旋回させるように該分流通路の軸線に対し傾斜して配設されていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４において、前記希釈容器の下部には燃料オフガスを滞留させる滞留室が区画形成され、該滞留室のガス導出口には前記燃料オフガス導入管が接続されていることを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記酸化オフガス導入口の位置と希釈ガス排出口の位置とは、互いに対向しないようにオフセットされていることを要旨とする。

請求項７に記載の発明は、請求項２〜６のいずれか一項において、前記各分流通路の入口は同一平面上に位置するように設定され、前記酸化オフガス導入口に接続された酸化オフガス導入管は、前記平面に対し傾斜されていることを要旨とする。

請求項８に記載の発明は、請求項２〜６のいずれか一項において、前記酸化オフガス導入口は、前記複数の分流通路のうち分流方向と直交する方向に関して端部に位置する分流通路と対応するように設けられ、前記各分流通路の入口の端縁と、希釈容器の内側面との間隔は、前記酸化オフガス導入口から遠くなるに従って、連続的に小さくなるように設定されていることを要旨とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項において、前記酸化オフガス導入口は複数箇所に離隔して配設されていることを要旨とする。
（作用）
この発明は、希釈容器に対し燃料オフガス導入口が複数箇所に離隔して配設されているので、各導入口から燃料オフガスが希釈室内に分流して供給される。このため、希釈室内に導入された酸化オフガスに対し燃料オフガスが適正に分散して混合され、燃料オフガスに含まれる水素ガスが酸化オフガスによって適正に希釈される。

本発明によれば、燃料オフガスと、酸化オフガスとを適正に混合することができ、酸化オフガスによる水素ガスの希釈を適正に行うことができる。

以下、本発明を具体化した燃料電池の排出ガス希釈装置の一実施形態を図１〜図３に従って説明する。
この実施形態の燃料電池の排出ガス希釈装置１１は、図１に示すように四角箱状の希釈容器１２を備え、その内部には希釈室１５が形成されている。該希釈容器１２の下方には、横長四角筒状の補助容器１３が設けられている。前記補助容器１３の内部には滞留室１４が形成されている。前記補助容器１３の底板１３ａの図示左端寄りに形成された導入口１３ｂには、図示しない燃料電池の燃料極側の出口から排出された水素ガスを含む燃料オフガスを滞留室１４に導入するための燃料オフガス導入管１６が接続されている。前記滞留室１４と希釈室１５とを区画する区画板１３ｃの図示右端寄りには、滞留室１４内の燃料オフガスを前記希釈室１５内に導くための導入口１３ｄが図３に示すように二箇所に形成されている。

前記希釈容器１２の図示右側板１２ａの上端部に形成された酸化オフガス導入口１２ｂには、図示しない燃料電池の酸化剤極側の出口から排出された酸素ガスを含む酸化オフガスを前記希釈室１５の内部に導くための酸化オフガス導入管１７が水平に接続されている。前記希釈容器１２の図示左側板１２ｃの下端部に形成された希釈ガス排出口１２ｄには、前記燃料オフガスと酸化オフガスとが希釈室１５の内部で混合され、かつ水素ガスが他のガスにより希釈された希釈ガスを外部に排出するための希釈ガス排出管１８が接続されている。

図３に示す前記区画板１３ｃに形成された二つの前記導入口１３ｄには、それぞれ燃料オフガス分流管２１（図３では一本のみ図示）が上方向に指向するように、かつ互いに平行に接続されている。前記両分流管２１には、燃料オフガスの分流ノズル２２が互いに平行に、かつ、水平に接続されている。この実施形態では、一本の燃料オフガス分流管２１にそれぞれ５本の分流ノズル２２が上下方向に所定のピッチで接続され、計１０本の分流ノズル２２の先端開口、つまり燃料オフガス導入口２２ａから希釈室１５に燃料オフガスが導入されるようになっている。

前記希釈容器１２の内部には、その希釈室１５の内部に複数の水平な分流通路２３ａを形成するためのほぼ横四角筒状をなす整流用筒体２３が複数箇所に互いに平行に、かつ水平に収容されている。この実施形態においては、図２に示すように１０本の前記燃料オフガス分流ノズル２２とそれぞれ対応するように前記整流用筒体２３が希釈容器１２の内部に縦方向に５箇所に、水平方向に２箇所に、計１０箇所に収容されている。前記整流用筒体２３の四隅は、図２に示すように四半円弧状に形成されている。図１に示すように前記燃料オフガス分流ノズル２２の先端部は、前記整流用筒体２３の入口に所定深さだけ進入されている。前記整流用筒体２３の入口側の端縁ｅ１と、前記希釈容器１２の右側板１２ａとの間には、前記酸化オフガス導入口１２ｂから希釈室１５に導入された酸化オフガスを、前記各分流通路２３ａに導くためのガス流路２４が設けられている。又、前記整流用筒体２３の出口側の端縁ｅ２と、前記希釈容器１２の左側板１２ｃとの間には、分流通路２３ａの出口から排出された混合オフガスを合流させて希釈ガス排出管１８へ導くためのガス流路２５が形成されている。

次に、前記のように構成した排出ガス希釈装置１１の動作について説明する。
燃料電池が運転されている状態においては、燃料電池の燃料極側の出口から排出された水素ガスを含む燃料オフガスは、燃料オフガス導入管１６から補助容器１３の滞留室１４の内部に導入される。この滞留室１４の内部において、燃料オフガスが拡散されて減圧・減速され、導入口１３ｄに向かって流れる。燃料オフガスは滞留室１４内で滞留する時間が長くなるため、燃料オフガス中に含まれる水素ガスが窒素ガス等の他のガスと適正に混合されて希釈される。二つの導入口１３ｄに入った燃料オフガスは、二本の燃料オフガス分流管２１の内部を上方向に流動した後、それぞれの分流ノズル２２の燃料オフガス導入口２２ａから整流用筒体２３の分流通路２３ａに導入される。

一方、燃料電池の酸化剤極側の出口から排出された酸化オフガスは、酸化オフガス導入管１７によって希釈容器１２のガス流路２４に供給される。酸化オフガスは、前記各整流用筒体２３の分流通路２３ａにそれぞれ分流して供給され、分流ノズル２２から排出された燃料オフガスと混合されて、整流用筒体２３の分流通路２３ａの出口からガス流路２５に流れた後、排出管１８から外部に排出される。

上記実施形態の燃料電池の排出ガス希釈装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、前記補助容器１３の導入口１３ｄに接続された二本の燃料オフガス分流管２１に対して、それぞれ複数本の分流ノズル２２を接続し、酸化オフガスを分流するようにした。このため、水素ガスを含む酸化オフガスを多岐に分流することができ、希釈容器１２の希釈室１５の内部に導入された酸化オフガスを水素ガスの希釈に有効に利用することができ、水素ガスの希釈効率を向上することができる。

（２）上記実施形態では、前記希釈容器１２の希釈室１５の内部に、整流用筒体２３を収容して、複数箇所に分流通路２３ａを形成したので、前記酸化オフガス導入管１７からガス流路２４に導かれた酸化オフガスを適正に分流することができる。従って、分流ノズル２２による燃料オフガスの分流効果と相俟って、各分流通路２３ａにおいて酸化オフガスと燃料オフガスとの混合及び水素ガスの希釈をそれぞれ均等かつ適正に行うことができる。

（３）上記実施形態では、希釈容器１２の下部に補助容器１３を設けて、燃料オフガス導入管１６から滞留室１４に燃料ガスを一旦導入して、ガスを拡散させて、減速・減圧し、導入口１３ｄに導くようにした。このため、滞留室１４内において、燃料オフガスを長時間滞留させて、水素ガスと窒素ガス等の他のガスとの混合を促進して水素ガスを適正に希釈することができる。

（４）上記実施形態では、整流用筒体２３の分流通路２３ａの入口側に前記分流ノズル２２の先端部を所定深さ寸法だけ進入させたので、エゼクタ機能により各分流通路２３ａ内に積極的に燃料オフガスの流れを発生させることができる。この結果、前記酸化オフガス導入管１７からガス流路２４に導入された酸化オフガスを各整流用筒体２３の分流通路２３ａにそれぞれ強制的に吸引することができ、酸化オフガスを有効に利用して水素ガスの希釈機能を向上することができる。

（５）上記実施形態では、前記各整流用筒体２３を図２に示すように四隅を四半円弧状の隅丸状に形成したので、分流通路２３ａ内での混合オフガスの流路の抵抗を低減し、分流通路２３ａの混合オフガスの流れを円滑に行い、圧力損失を低減することができる。

（６）上記実施形態では、図１に示すように酸化オフガス導入管１７と希釈ガス排出管１８が互いに対向しないようにオフセットするようにしたので、ガス流路２４に導入された酸化オフガスが各整流用筒体２３の分流通路２３ａにそれぞれ均等に導かれ、希釈を適正に行うことができる。

次に、本発明を具体化した燃料電池の排出ガス希釈装置の別の実施形態を図４〜図７にしたがって順次説明する。なお、前記実施形態と同様な部分についてはその詳細な説明を省略する。

・図４に示す実施形態では、希釈容器１２の右側板１２ａに対し、酸化オフガス導入口１２ｂが上下方向に所定の等ピッチで形成されている。これらの酸化オフガス導入口１２ｂに対し酸化オフガス導入管１７に分岐接続された分流管３１が接続されている。前記燃料オフガス分流ノズル２２の本数と酸化オフガス導入口１２ｂの数とは同じに設定されている。又、前記希釈ガス排出管１８は左側板１２ｃの上下方向の中央部に配設されている。前記分流管３１の軸線と前記分流ノズル２２の軸線とは、該軸線と直交する方向のうち紙面直交方向にオフセットされている。

上記の排出ガス希釈装置１１においては、複数の酸化オフガス導入口１２ｂから前記整流用筒体２３の分流通路２３ａに酸化オフガスがより均等に分流されるので、酸化オフガスをさらに有効に利用して水素ガスを希釈する能力を向上することができる。

・図５に示す実施形態では、排出ガス希釈装置１１を上下逆の構成とし、前記希釈容器１２の底板にドレン孔１２ｅを形成している。このドレン孔１２ｅによって、酸化オフガス導入管１７から希釈容器１２内に導入された酸化オフガス中に含まれる生成水が外部に排出される。

上記の排出ガス希釈装置１１においては、希釈容器１２の上方に補助容器１３が配設され、燃料オフガス分流管２１及び燃料オフガス分流ノズル２２が補助容器１３の下方に位置されている。このため、燃料オフガスに含まれる窒素ガス等の他のガスよりも軽い水素ガスが燃料オフガス分流ノズル２２側へ流動する速度が他のガスよりも遅くなる。従って、水素ガスの体積に対する他のガスの体積の割合が多くなって水素ガスの希釈がさらに適正に行われる。

・図６（ａ）に示すように、前記酸化オフガス導入管１７を傾斜状態で接続し、酸化オフガスが矢印で示すように前記整流用筒体２３の分流通路２３ａの入口側の同一平面上に位置する端縁ｅ１に対し斜めに酸化オフガスが供給されるようにしてもよい。この場合には酸化オフガス導入管１７が水平に接続されている場合と比較して、各分流通路２３ａに酸化オフガスをさらに均等に分流させることができる。

・図６（ｂ）に示すように、前記希釈容器１２の右側板１２ａに形成した導入口１２ｂを上下方向に長く形成し、該導入口１２ｂの外側にガスの拡散室２６ａを形成するためのケース２６を取り付け、該ケース２６の上下方向の中央部に前記酸化オフガス導入管１７を接続するようにしてもよい。

この場合には、酸化オフガス導入管１７からケース２６の拡散室２６ａに入った酸化オフガスが上下方向に拡散され、その後、前記各整流用筒体２３の分流通路２３ａに均等に分流される。

・図７（ａ）に示すように、整流用筒体２３の分流通路２３ａの入口側の同一平面上に位置する端縁ｅ１と、希釈容器１２の右側板１２ａの内面とのそれぞれの間隔が下方の整流用筒体２３ほど連続的に小さくなるように設定してもよい。

この別の実施形態においては、酸化オフガス導入管１７が図７（ａ）に示すように水平状態であっても、酸化オフガス導入管１７からガス流路２４に流入した燃料オフガスが各整流用筒体２３の分流通路２３ａに均等に流入し易くなるので、好ましい。

・図７（ｂ）に示すように、燃料オフガス分流ノズル２２の先端部を分流通路２３ａの軸線に対し傾斜させるとともに整流用筒体２３の中心から分流ノズル２２を紙面直交方向に変位させて、分流ノズル２２から整流用筒体２３の分流通路２３ａ内に流入された燃料オフガスが旋回するようにしてもよい。この場合には分流通路２３ａ内での燃料オフガスと酸化オフガスとの混合を旋回流によってさらに適正に行い、水素ガスの希釈機能を一層向上することができる。

・図示しないが、図１において、酸化オフガス導入管１７を希釈容器１２の右側板１２ａの上下方向の中央部に接続してもよい。
・前記燃料オフガス分流ノズル２２の本数を、例えば２〜９本、１１〜２０本の任意の本数にしてもよい。

この発明の排出ガス希釈装置を具体化した１実施形態を示す縦断面図。 図１の排出ガス希釈装置の横断面図。 燃料オフガス分流管、燃料オフガス分流ノズル及び整流用筒体の分離斜視図。 この発明の別の実施形態を示す排出ガス希釈装置の縦断面図。 この発明の別の実施形態を示す排出ガス希釈装置の縦断面図。 （ａ）、（ｂ）は、この発明の別の実施形態を示す排出ガス希釈装置の部分縦断面図。 （ａ）、（ｂ）は、この発明の別の実施形態を示す排出ガス希釈装置の部分縦断面図。 従来の排出ガス希釈装置の縦断面図。 図８の排出ガス希釈装置の平断面図。 従来の別の排出ガス希釈装置の縦断面図。

符号の説明

ｅ１，ｅ２…端縁、１１…排出ガス希釈装置、１２…希釈容器、１２ｂ…酸化オフガス導入口、１２ｄ…希釈ガス排出口、１４…滞留室、１５…希釈室、１６…燃料オフガス導入管、１７…酸化オフガス導入管、２２…分流ノズル、２２ａ…燃料オフガス導入口、２３ａ…分流通路。

Claims (9)

1. ガスの希釈室を有する希釈容器に対し燃料電池の燃料極側の出口から排出される水素ガスを含む燃料オフガスを導入する燃料オフガス導入口を設けるとともに、燃料電池の酸化剤極側の出口から排出される酸化オフガスを導入する酸化オフガス導入口を設け、前記希釈室内で希釈された希釈ガスを外部に排出する希釈ガス排出口を設けた燃料電池の排出ガス希釈装置において、
   前記燃料オフガス導入口を複数箇所に離隔して配設したことを特徴とする燃料電池の排出ガス希釈装置。
2. 請求項１において、前記希釈室内には、酸化オフガス導入口から導入された酸化オフガスを複数に分流する分流通路が形成され、各分流通路に前記燃料オフガス導入口がそれぞれ対応するように配設されていることを特徴とする燃料電池の排出ガス希釈装置。
3. 請求項１又は２において、前記希釈室内には燃料オフガス導入管が配設され、該導入管には燃料オフガスを分流させる複数本の分流ノズルが離隔するように接続されていることを特徴とする燃料電池の排出ガス希釈装置。
4. 請求項３において、前記各分流ノズルは分流通路内で燃料オフガスを旋回させるように該分流通路の軸線に対し傾斜して配設されていることを特徴とする燃料電池の排出ガス希釈装置。
5. 請求項３又は４において、前記希釈容器の下部には燃料オフガスを滞留させる滞留室が区画形成され、該滞留室のガス導出口には前記燃料オフガス導入管が接続されていることを特徴とする燃料電池の排出ガス希釈装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、前記酸化オフガス導入口の位置と希釈ガス排出口の位置とは、互いに対向しないようにオフセットされていることを特徴とする燃料電池の排出ガス希釈装置。
7. 請求項２〜６のいずれか一項において、前記各分流通路の入口は同一平面上に位置するように設定され、前記酸化オフガス導入口に接続された酸化オフガス導入管は、前記平面に対し傾斜されていることを特徴とする燃料電池の排出ガス希釈装置。
8. 請求項２〜６のいずれか一項において、前記酸化オフガス導入口は、前記複数の分流通路のうち分流方向と直交する方向に関して端部に位置する分流通路と対応するように設けられ、前記各分流通路の入口の端縁と、希釈容器の内側面との間隔は、前記酸化オフガス導入口から遠くなるに従って、連続的に小さくなるように設定されていることを特徴とする燃料電池の排出ガス希釈装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項において、前記酸化オフガス導入口は複数箇所に離隔して配設されていることを特徴とする燃料電池の排出ガス希釈装置。

Images