JP2010015758A

JP2010015758A - ガス希釈装置

Info

Publication number: JP2010015758A
Application number: JP2008173259A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Niimura; 光義新村; Akira Uchiyama; 晃内山; Takashi Sawada; 崇澤田
Original assignee: Yutaka Giken Co Ltd
Current assignee: Yutaka Giken Co Ltd
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: JP5393069B2

Abstract

【解決手段】仕切板３０は、この実施例では矩形を呈し、一端部にガスを通過させる矩形窓３１が開けられている。仕切板３０は、第１板３３に第２板３４を重ねてなる合わせ板構造体である。２枚以上の薄板を重ね、一括してプレス成形することで突条部３５を一体形成することができる。第１板３３の厚さをｔ１、第２板３４の厚さをｔ２とした場合、ｔ１とｔ２は異なる値に設定する。
【効果】薄板は厚さに対応した固有振動数を有する。固有振動数の異なる薄板を合わせると、薄板同士が振動を打ち消しあい、結果として振動しにくくなり、容器が振動する心配がなくなる。音も振動の一種であり、壁が振動し難くなることで遮音性が高まる。結果として、吸音材が不要となる。したがって、本発明によれば、振動に強く且つコンパクトなガス希釈装置を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池自動車に好適なガス希釈装置に関する。

地球環境の観点から、燃料電池自動車（燃料電池を駆動源とする自動車）が好まれる。燃料電池は水素と酸素とを反応させて電気を得ることを基本原理とする。反応を円滑にするために、燃料電池をパージ（ガスでクリーニング）することが行われ、このパージにより水素成分が排出ガスに含まれる。このような排出ガスを外へ排出するには、水素濃度が排出基準以下であることが求められる。そこで、ガス希釈装置が必要となる。

従来、燃料電池のガス希釈装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−２３４３８７公報（図１、図２）

特許文献１を次図及び次々図に基づいて説明する。
図７は従来の燃料電池とガス希釈装置を搭載した車両の基本構成を説明する図であり、車両１００には、燃料電池１０１と、水素タンク１０２と、エアコンプレッサ１０３と、ガス希釈装置１０４とが搭載されている。

水素供給管１０５を介して水素ガスを燃料電池１０１へ供給し、エア供給管１０６を介して酸素を含む空気を燃料電池１０１へ供給する。燃料電池１０１の内部では電解質膜１０７を介して水素と酸素とを反応させ、水及び電気を得る。電気は電解質膜１０７を介して外へ取り出される。水は電解質膜１０７に付着した後、付近を通過するガスに水蒸気の形態で排出される。

未反応の水素ガスは、エジェクター１０８で吸引される。すなわち、戻り通路１０９を介して水素供給管１０５へ戻され、再度、燃料電池１０１へ供給される。一方、酸素が消費された空気は、余剰空気と水蒸気とからなる、カソードオフガスの形態でエア排出管１１１により、燃料電池１０１から排出される。

電解質膜１０７には反応により生成された水が付着し、空気中の窒素が水素側へ透過するなどして、水素濃度が低下し、発電性能が低下する。そこで、定期的又は適宜、パージと称する処理（ガスでクリーニングする処理）を行う。パージ弁１１２を開けると、水素供給管１０５から供給された水素ガスが燃料電池１０１の水素側をクリーニングした後、水素ガス排出管１１３を介して排出される。この排出ガスは、水素、水蒸気、窒素ガス、その他の不純物からなり、アノードオフガスと呼ばれる。

水素を含むアノードオフガスは、ガス希釈装置１０４で、ドライエアにより希釈される。
ドライエアは、エアコンプレッサ１０３で発生した高圧エアの一部で賄われる。
すなわち、ガス希釈装置１０４には、希釈対象ガスとしてのアノードオフガスと、希釈剤としてのドライエアと、空気及び水蒸気からなるカソードオフガスとが供給される。

図８は従来のガス希釈装置の構造を説明する図であり、ガス希釈装置１０４は、箱体１１５と、内部を仕切る仕切板１１６、１１６と、箱体１１５の上部に設けられた希釈対象ガス吹き込み管１１７及びドライエア吹き込み管１１８と、箱体１１５の底に配置された排出パイプ１１９と、この排出パイプ１１９の上部に開けられたガス取入れ穴１２１と、排出パイプ１１９の底に開けられた水取入れ穴１２２、１２２とからなる。

先ず、排出パイプ１１９には、矢印（１）のようにカソードオフガスが流れている。排出パイプ１１９の内圧が、箱体１１５の内圧より低く設定されているので、ガス取入れ穴１２１や水取入れ穴１２２、１２２からカソードオフガスが流出する心配はない。

次に、箱体１１５の上部に、希釈対象ガスを矢印（２）のように吹き込み、ドライエアを矢印（３）のように吹き込む。すると、希釈対象ガスにドライエアが混じり始める。矢印（４）のように蛇行しながら流れることで混合が進行する。蛇行は混合時間を稼ぐことと、乱流、撹拌を促して混合を促進する役割を果たす。
混合ガスは、ガス取入れ穴１２１から排出パイプ１１９に進入し、カソードオフガスで更に希釈され、希釈済みガスの形態で矢印（５）のように外へ排出される。

ところで、希釈対象ガスには水蒸気が含まれており、この水蒸気が結露して箱体１１５の底に溜まる。溜まった水は水取入れ穴１２２、１２２を通じてカソードオフガスに吸引され、外へ排出される。

ところで、希釈対象ガス吹き込み管１１７から高圧の希釈対象ガスが箱体１１５の内部空間に高速で吹き込まれると、急激な速度変化及び圧力変化に伴って大きな音（いわゆるジェット音）が発生する。圧力変動により、箱体１１５が振動する。

振動対策として、箱体１１５の壁厚を増加することが知られている。しかし、壁厚を増加すると、箱体１１５が重くなる。
また、騒音対策として、箱体１１５を吸音材で覆うことが知られている。しかし、吸音材で覆うと、ガス希釈装置が大型になる。

重量及び体積に、厳しい制限が課せられる車両に搭載することを考えると、振動に強く且つコンパクトなガス希釈装置が必要となる。

本発明は、振動に強く且つコンパクトなガス希釈装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、水素及び水蒸気を含む希釈対象ガスに、空気を混ぜて希釈させるガス希釈装置において、
このガス希釈装置は、気密性の容器と、この容器の中に蛇行流路を形成するために前記容器内に渡した複数枚の仕切板と、前記容器に外から差し込まれ前記蛇行流路の入口へ前記希釈対象ガスを吹き込むガス吹き込み管と、前記容器に外から差し込まれ前記蛇行流路の入口へ前記空気を吹き込むエア吹き込み管と、前記蛇行流路の出口に設けられ希釈されたガスを外へ排出する排出パイプとからなり、
前記容器及び前記仕切板は、厚さが互いに異なる複数の薄板が重ね合わされた合わせ板構造体であることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、容器は、縁曲げにより両端又は片端にフランジを一体に備えている筒体を複数個含み、仕切板の上と下にフランジを重ね、上のフランジの外端面と仕切板の外端面と下のフランジの外端面とを、一括して溶接することで、筒体と仕切板とが結合されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、容器は、燃料電池を駆動源とする車両に搭載され、希釈対象ガスは、燃料電池をパージ（ガスでクリーニング）する際に排出されるガスであることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、容器及び仕切板は、厚さが互いに異なる複数の薄板が重ね合わされた合わせ板構造体で構成した。薄板は厚さに対応した固有振動数を有する。固有振動数の異なる薄板を合わせると、薄板同士が振動を打ち消しあい、結果として振動しにくくなり、容器が振動する心配がなくなる。

音も振動の一種であり、壁が振動し難くなることで遮音性が高まる。結果として、吸音材が不要となる。
したがって、本発明によれば、振動に強く且つコンパクトなガス希釈装置を提供することができる。

請求項２に係る発明では、上のフランジの外端面と仕切板の外端面と下のフランジの外端面とを、一括して溶接する。いわゆる、エッジ継手溶接法による。
エッジを溶接するため、上のフランジ、仕切板、下のフランジの合計枚数が６枚やそれ以上であっても、容易に結合することができる。そのため、製造コストを低減することができる。

請求項３に係る発明では、ガス希釈装置を燃料電池自動車に搭載する。本発明のガス希釈装置は、振動に強く且つコンパクトであるため、静粛性、軽量化、コンパクト化が厳しく求められる自動車に好適である。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るガス希釈装置の断面図であり、ガス希釈装置１０は、容器２０と、この容器２０の中に蛇行流路を形成するために容器２０内に渡した複数枚（この例では３枚）の仕切板３０と、容器２０に外から差し込まれ蛇行流路の入口へ希釈対象ガスを吹き込むガス吹き込み管４１と、容器２０に外から差し込まれ蛇行流路の入口へ空気（従来技術のドライエアに相当）を吹き込むエア吹き込み管４２と、蛇行流路の出口に設けられ希釈されたガスを外へ排出する排出パイプ４３とからなる。

容器２０は、縁曲げにより上端にフランジ２１を備え、底２２に液溜め凹部２３が一体形成されている第１筒体２４と、縁曲げにより両端にフランジ２１を備えている第２筒体２５と、縁曲げにより両端にフランジ２１を備えている第３筒体２６と、縁曲げにより下端にフランジ２１を備え、底２７が一体形成されている第４筒体２８とを、下から上に重ねて構成される密閉容器である。

第１筒体２４と第２筒体２５で仕切板３０が挟まれ、第２筒体２５と第３筒体２６で仕切板３０が挟まれ、第３筒体２６と第４筒体２８で仕切板３０が挟まれている。仕切板３０の上に水が溜まることを防止するために、仕切板３０は傾けて配置する。そのことが可能なように、第１〜第４筒体２４〜２６、２８は、テーパ形状にする。

排水パイプ４３は第１筒体２４を水平に貫通し、第１筒体２４内において、上部にガス取入れ穴４４を有し、底に水取入れ穴４５、４５を有している。

容器２０内におけるガスの流れや水の流れは、従来の技術で説明済みであるから、ここでは、説明を省略する。
以下、仕切板３０と第２筒体２５の詳細な構造を説明する。
図２は仕切板の斜視図であり、仕切板３０は、この実施例では矩形を呈し、一端部にガスを通過させる矩形窓３１が開けられている。矩形窓３１を囲う窓枠部３２は一定の幅で確保されている。

図３は図２の３線断面図であり、仕切板３０は、第１板３３に第２板３４を重ねてなる合わせ板構造体である。２枚以上の薄板を重ね、一括してプレス成形することで突条部３５を一体形成することができる。この突条部３５は仕切板３０の剛性を高める役割と、仕切板３０の上を流れる水の流れ方向を規定して流れを円滑にする役割とを果たす。

第１板３３の厚さをｔ１、第２板３４の厚さをｔ２とした場合、ｔ１とｔ２は異なる値に設定する。ｔ１：ｔ２＝１：（１．３〜１．７）とする。例えば、ｔ１＝０．２５ｍｍ、ｔ２＝０．３６ｍｍにすれば、ｔ１：ｔ２＝１：１．４４となる。

仕切板３０は図１に示すように、周辺が固定されている平板であり、振動の点からは中央に最大振幅が発生する。すなわち、仕切板３０は振動しやすい。
平板は固有振動数を有し、この固有振動数は板厚に依存する。一般に、振動対策としては、板厚を増加して振動しにくくする。

この点、本発明は、互いに固有振動数の異なる第１板３３と第２板３４とを組み合わせた。第１板３３が振動するときには、第２板３４は振動しないため、第２板３４が第１板３３の振動を減衰する役割を果たす。第２板３４が振動するときも同様である。板厚を増加することなく、振動に強い仕切板３０が提供される。

なお、第１板３３と第２板３４との間に、接着剤を介在させることは差し支えない。この場合には、粘性に富み軟らかいフィルムが好ましい。
軟らかいフィルムであれば、第１板３３と第２板３４との相互の移動、振動が可能となる。
粘性に富むフィルムであれば、第１板３３と第２板３４との間に大きな隙間が開く心配はない。加えて、第１板３３に第２板３４を機械的に連結し、剛性を高める役割を果たす。

図４は筒体の斜視図であり、第２筒体２５は、角筒２９の両端に縁曲げによって形成したフランジ２１、２1を一体的に備えている。
図５は図４の５−５線断面図であり、第２筒体２５は、第１板３３に第２板３４を重ねてなる合わせ板構造体である。合わせ板構造体の作用、効果は、先に説明したので省略するが、第２筒体２５も振動に強い。図１に示す他の筒体２４、２６、２８も合わせ板構造体である。

以上に説明した仕切板３０に筒体を連結する溶接法を以下に説明する。
図６は本発明で採用した溶接法の説明図であり、（ａ）に示すように、仕切板３０の上と下にフランジ２１、２１を重ね、クランプ治具４７、４７で強く挟む。
次に、（ｂ）に示すように、上のフランジ２１の外端面と仕切板３０の外端面と下のフランジ２１の外端面とを、ＴＩＧ（タングステン・イナートガス・アーク）溶接トーチ４８により一括して溶接する。

２つ以上のほぼ平行に重なっている母材の端面間の溶接継手は、エッジ継手やへり継手と呼ばれる。この例では６枚の端面間を一括して溶接したことになる。
このようなエッジ継手溶接法によれば、６枚やそれ以上の母材を容易に結合することができる。そのため、製造コストを低減することができる。

以上の工程を経て、図１に示すガス希釈装置１０が得られた。
ガス希釈装置１０は、異なる板厚の薄板を複数枚重ねて構成されるため、振動に強く且つコンパクトである。
一方、乗用車では、静粛性や軽量化やコンパクト化が厳しく要求される。
本発明のガス希釈装置１０は、振動に強く、遮音性能に優れており、且つ小型であるため、自動車に好適である。

尚、本発明のガス希釈装置は、燃料電池自動車に搭載することのほか、住宅に据付けられる汎用燃料電池に付設してもよく、用途を格別に限定するものではない。

本発明のガス希釈装置は、燃料電池自動車に好適である。

本発明に係るガス希釈装置の断面図である。仕切板の斜視図である。図２の３線断面図である。筒体の斜視図である。図４の５−５線断面図である。本発明で採用した溶接法の説明図である。従来の燃料電池とガス希釈装置を搭載した車両の基本構成を説明する図である。従来のガス希釈装置の構造を説明する図である。

符号の説明

１０…ガス希釈装置、２０…容器、２１…フランジ、２４〜２６、２８…筒体、３０…仕切板、３３…厚さが異なる薄板（第１板）、３４…厚さが異なる薄板（第２板）、４１…ガス吹き込み管、４２…エア吹き込み管、４３…排出パイプ、１００…燃料電池を駆動源とする車両。

Claims

水素及び水蒸気を含む希釈対象ガスに、空気を混ぜて希釈させるガス希釈装置において、
このガス希釈装置は、気密性の容器と、この容器の中に蛇行流路を形成するために前記容器内に渡した複数枚の仕切板と、前記容器に外から差し込まれ前記蛇行流路の入口へ前記希釈対象ガスを吹き込むガス吹き込み管と、前記容器に外から差し込まれ前記蛇行流路の入口へ前記空気を吹き込むエア吹き込み管と、前記蛇行流路の出口に設けられ希釈されたガスを外へ排出する排出パイプとからなり、
前記容器及び前記仕切板は、厚さが互いに異なる複数の薄板が重ね合わされた合わせ板構造体であることを特徴とするガス希釈装置。
前記容器は、縁曲げにより両端又は片端にフランジを一体に備えている筒体を複数個含み、前記仕切板の上と下に前記フランジを重ね、前記上のフランジの外端面と前記仕切板の外端面と前記下のフランジの外端面とを、一括して溶接することで、前記筒体と前記仕切板とが結合されていることを特徴とする請求項１記載のガス希釈装置。
前記容器は、燃料電池を駆動源とする車両に搭載され、前記希釈対象ガスは、前記燃料電池をパージする際に排出されるガスであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス希釈装置。