JP4568011B2 - 燃料電池用の排気管 - Google Patents

Description

本発明は、水分（水蒸気や水滴）を含む排気ガスを大気中へ放出するための燃料電池用の排気管に関する。

燃料電池は、アノードに水素を含む燃料ガスが接触しカソードに空気などの酸素を含む酸化ガスが接触することにより両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。その際、カソードでは、アノード側から電解質膜を透過してきた水素イオンと酸素が反応して水が生成される。生成された水は水蒸気となり、カソードから排出されるオフガス（カソードオフガス）に含まれて大気中に放出される。

通常、燃料電池は高温（例えば、比較的運転温度の低い固体高分子型燃料電池でも約８０℃）で運転されているために、カソードオフガスの温度は大気温よりも高くなっている。このため、カソードオフガスが大気中へ放出された途端、急激な冷却によりカソードオフガスの温度は露点温度以下まで低下し、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝結して白煙が発生する。特に、大気温が低い冬季には白煙の発生は顕著になる。

白煙は外観上、また、それを見る者への心象においても好ましくない。特に、近年、燃料電池を搭載した電気自動車（燃料電池自動車）が開発されているが、燃料電池自動車を実用化する上で白煙についての対策は十分に検討される必要がある。多量の白煙は後続車両のドライバに不快感を与える可能性があるからである。また、白煙は燃料電池だけの問題ではなく、プラント等、他の分野においても問題になっている。

従来、白煙の発生を抑制する技術としては、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。この従来技術は、プレクーリング工法による冷却コンクリートの製造時に発生する白煙を除去するための技術であり、排気管の内部に多数の邪魔板を櫛歯状に交互に配置している。排気ガスは排気管を流れる際に各邪魔板に衝突し、その際、排気ガスに含まれる水分が邪魔板に付着して除去されることで、白煙の大気中への放出が抑制される。
特開平５−２９５８９１号公報 特開２０００−３２５７４０号公報 特開平４−２７６１１０号公報 特開平６−２９２８７５号公報 特開平８−２９３３１６号公報 特開平９−２２３５１０号公報

しかしながら、上記の従来技術では、邪魔板の設置によって排気管内の流通抵抗は極めて大きくなってしまう。排気管内の流通抵抗の増大は背圧を増大させ排気流量を減少させることになり、システムの運転性能の低下を招いてしまう。例えば、上記従来技術を燃料電池のカソードオフガスの排気管に適用した場合には、カソードへの酸素の供給が阻害され、燃料電池の発電性能は大きく低下してしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気ガスの流通抵抗を増大させることなく、水分を含む排気ガスが大気中へ放出されたときの白煙の発生を抑制できるようにした燃料電池用の排気管を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、水分を含む排気ガスを大気中へ放出するための燃料電池用の排気管であって、出口部にオリフィスが設けられていることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、前記出口部を囲む筒状のバッフルを備えることを特徴としている。

第３の発明は、第１の発明において、前記出口部に接続されて前記オリフィスを収容する下流側排気管を備え、前記下流側排気管の前記オリフィスの外側に位置する面には複数の切込みが形成されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、排気ガスはオリフィスを通過して排気管から放出される。排気管から放出される排気ガスの流速は、排気管の出口に生じる白煙の濃度に影響する。流速が小さいときには排気ガスが滞留することで白煙濃度は高まり、流速が大きいときには排気ガスが空気中に速やかに拡散されることで白煙濃度は低下する。第１の発明によれば、排気ガスはオリフィスを通過することでその流速が上昇し、大気中に速やかに拡散される。これにより、排気管の出口に生じる白煙の濃度は低下して、外部から白煙を視認できるような白煙の発生は抑制される。

第２の発明によれば、排気ガスはオリフィスを通過することでその流速が上昇する。排気ガスの流速の上昇により排気管の出口部における気圧は低下し、この圧力低下によりバッフルと排気管の出口部との隙間からバッフル内に外気が取り込まれる。取り込まれた外気が排気ガスに混合することで排気ガスの露点は低下し、バッフルから大気中へ放出されたときの白煙の発生は抑制される

第３の発明によれば、排気ガスはオリフィスを通過することでその流速が上昇する。排気ガスの流速の上昇により排気管の出口部における気圧は低下し、この圧力低下により各切り込みから下流側排気管内に外気が取り込まれる。取り込まれた外気が排気ガスに混合することで排気ガスの露点は低下し、下流側排気管から大気中へ放出されたときの白煙の発生は抑制される。

実施の形態１．
以下、図１を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
本発明の排気管は、例えば車両に搭載される車両用燃料電池に適用することができる。

図１は、本発明の実施の形態１としての排気管の概略構成図である。本実施の形態の排気管４２は、車両用燃料電池のカソードに接続され、カソードから排出される排気ガスを大気中へ放出するための排気管として構成されている。燃料電池では、電気化学反応によって起電力が発生する際、アノード側から電解質膜を透過してきた水素イオンと酸素が反応してカソードに水が生成される。燃料電池は高温で運転されるため生成された水は水蒸気となり、水蒸気はカソードから排出される排気ガスに含まれて排気管４２へ排出される。

本実施の形態では、排気管４２はその出口部にオリフィス４４を備えている。排気管４２から放出される排気ガスの流速は、排気管４２の出口に生じる白煙の濃度に影響する。流速が小さいときには排気ガスが滞留することで白煙濃度は高まり、流速が大きいときには排気ガスが空気中に速やかに拡散されることで白煙濃度は低下する。本実施の形態によれば、排気ガスはオリフィス４４を通過することでその流速が上昇し、大気中に速やかに拡散される。これにより、排気管４２の出口に生じる白煙の濃度は低下して外部から白煙を視認しにくくなる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２としての排気管の概略構成図である。本実施の形態も排気管５２の出口部の構成に特徴がある。本実施の形態では、排気管５２はその出口部にオリフィス５４を備え、さらにその外側に筒状のバッフル５６を備えている。本実施の形態によれば、排気ガスはオリフィス５４を通過することでその流速が上昇する。排気ガスの流速の上昇により排気管５２の出口における気圧は低下し、この圧力低下によりバッフル５６と排気管５２との隙間からバッフル５６内に外気が取り込まれる。取り込まれた外気が排気ガスに混合することで排気ガスの露点は低下し、バッフル５６の出口から大気中へ放出されたときの白煙の発生は抑制される。

実施の形態３．
図３Ａは、本発明の実施の形態３としての排気管の概略構成図である。図３Ｂは、図３Ａの矢視Ａ部を拡大して示す図である。本実施の形態では、排気管６２は上流側排気管６２Ａと下流側排気管６２Ｂとに分割されている。上流側排気管６２Ａはその出口部にオリフィス６４を備えている。下流側排気管６２Ｂはその入口部に複数の切り込み６６を形成されている。上流側排気管６２Ａと下流側排気管６２Ｂとはオリフィス６４に切り込み６６が重なるように接続されている。本実施の形態によれば、排気ガスはオリフィス６４を通過することでその流速が上昇する。排気ガスの流速の上昇により流側排気管６２Ａの出口における気圧は低下し、この圧力低下により各切り込み６６から下流側排気管６２Ｂ内に外気が取り込まれる。取り込まれた外気が排気ガスに混合することで排気ガスの露点は低下し、下流側排気管６２Ｂの出口から大気中へ放出されたときの白煙の発生は抑制される。

上記実施の形態では、車両用燃料電池においてカソードオフガスの排気時に発生する白煙を抑制するための手段として本発明を用いているが、本発明の用途はこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池の場合、カソード側の水分の一部は電解質膜を透過してアノード側に漏れるため、アノードから排出されるアノードオフガスにも水蒸気が含まれている。或いは、炭化水素原料を改質して水素を得る燃料電池の場合、改質ガス中には水蒸気が含まれるため、アノードから排出されるアノードオフガスにも水蒸気が含まれている。このような場合においても本発明を適用することで、アノードオフガスを大気中へ放出するときの水蒸気白煙の発生を防止することが可能になる。その他、本発明は水分を含む排気ガスを大気中へ放出するための排気管であるならば、その用途を問わず広く適用することができる。

本発明の実施の形態１としての排気管の概略構成図である。 本発明の実施の形態２としての排気管の概略構成図である。 本発明の実施の形態３としての排気管の概略構成図である。 図３Ａの矢視Ａ部を拡大して示す図である。

４２，５２，６２ 排気管
４４，５４，６４ オリフィス
５６ バッフル
６６ 切り込み

Claims (3)

1. 水分を含む排気ガスを大気中へ放出するための燃料電池用の排気管であって、
   出口部にオリフィスが設けられていることを特徴とする燃料電池用の排気管。
2. 前記出口部を囲む筒状のバッフルを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用の排気管。
3. 前記出口部に接続されて前記オリフィスを収容する下流側排気管を備え、
   前記下流側排気管の前記オリフィスの外側に位置する面には複数の切込みが形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用の排気管。

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