JP4832732B2 - 燃料電池の排出ガス処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池から排出されるオフガスを希釈処理する排出ガス処理装置に関するものである。

燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るものがある。この種の燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）を供給して、これら反応ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この燃料電池では、発電に伴ってカソード側で水が生成され、この生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側にも浸入する。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入する。アノード側におけるこれら水分や窒素等の不純物は、燃料電池の発電を不安定にする虞がある。

特に、燃料の利用率を上げるために燃料電池から排出される未反応の水素（アノードオフガス）をリサイクルさせて新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する循環型の燃料電池システムでは、アノード側の前記不純物濃度が徐々に高まる傾向にある。
そこで、この種の燃料電池では、アノードオフガスが循環するアノードオフガス循環路から定期的に排出弁を開放して前記不純物を含むアノードオフガスを排出し、アノードオフガス中の不純物濃度を低減させている。

このアノードオフガス循環路から排出されるアノードオフガスを外部（大気）に排出する際には、排出ガス処理装置によって、希釈ガス（例えば、カソードから排出されるカソードオフガスとしての空気）で前記アノードオフガスを希釈し、水素濃度を低減してから排出している。

特許文献１に開示された従来の排出ガス処理装置は、希釈容器にアノードオフガス導入管を介してアノードオフガスを導入可能にし、また、希釈容器にカソードオフガス管を貫通させるとともに、希釈容器内におけるカソードオフガス管にガス排出孔を設けて構成されている。
このように構成された従来の排出ガス処理装置では、燃料電池の運転期間中、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスが常にカソードオフガス管を流通しており、一方、アノードオフガスは排出要求のあったときに、アノードオフガス導入管を介して希釈容器内に導入されて滞留する。希釈容器内で滞留しているアノードオフガスはガス排出孔から徐々にカソードオフガス管に吸い込まれ、カソードオフガス管を流通するカソードオフガスと混合されて希釈され、混合ガスとなってカソードオフガス管を下流へと流れていく。

また、特許文献２に開示された従来の排出ガス処理装置は、希釈容器内に仕切板を設けることによって蛇行する流路を形成し、該流路の始端部に、アノードオフガス導入管を介してアノードオフガスを導入可能にするとともに、カソードオフガス管から分岐したカソードオフガス分岐管を介してカソードオフガスを導入可能にし、アノードオフガスはこの流路を流通する間にカソードオフガスと混合されて希釈され、希釈されたガスは前記流路の終端部からカソードオフガス管に排出され、カソードオフガスによってさらに混合されて希釈される。
特開２００４−１２７６６６号公報 特開２００４−６１８３号公報

いずれの排出ガス処理装置においても、アノードオフガス導入管から希釈容器に放出されたアノードオフガスが、放出の勢いで希釈容器内を吹き抜け、カソードオフガス管のガス排出孔に吸い込まれて排出されることがないように対処する必要がある。
特許文献１に開示された従来の排出ガス処理装置の場合、前記吹き抜け防止対策としてカソードオフガス管のガス排出孔の大きさを小さくすると、希釈容器内での滞留時間が長くなるため（換言すると、水素濃度の低下に長い時間が必要になるため）、アノードオフガス循環路からアノードオフガスを排出するタイミングを延期せざるを得なくなるという問題がある。

また、特許文献２に開示された従来の排出ガス処理装置の場合、前記吹き抜け防止対策として希釈容器内に導入するカソードオフガスの流量調整が必要であるが、単にカソードオフガス導入用の孔の大きさだけで流量調整するのは困難で、カソードオフガスの流量が少な過ぎると、カソードオフガスの過剰供給による吹き抜けは防止できても、希釈容器内でのアノードオフガスの希釈が不十分になるという問題が生じる。また、アノードオフガスの水分が希釈室内に滞留し、ガスの流れを妨げる虞がある。
そこで、この発明は、アノードオフガスの吹き抜けを防止でき、アノードオフガスの水素濃度を十分に低下させて排出することができる燃料電池の排出ガス処理装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）のアノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）から排出されるアノードオフガスを希釈ガスと混合して希釈し排出する燃料電池の排出ガス処理装置（例えば、後述する実施例における排出ガス処理装置５０）において、
希釈容器（例えば、後述する実施例における希釈容器５１）と、
前記アノードオフガスを前記希釈容器内に放出するアノードオフガス放出孔（例えば、後述する実施例におけるアノードオフガス放出孔５２ａ）を有するアノードオフガス導入路（例えば、後述する実施例におけるアノードオフガス導入管５２）と、
前記希釈ガスが流通する希釈ガス路（例えば、後述する実施例における希釈ガス管５７）と、
前記希釈ガス路に連通し、該希釈ガス路を流通する前記希釈ガスを前記希釈容器内に放出する希釈ガス放出孔（例えば、後述する実施例における希釈ガス放出孔５８）と、
前記希釈ガス路に連通し、前記希釈容器内で混合された前記アノードオフガスと希釈ガスの混合ガスを前記希釈ガス放出孔との連通部よりも前記希釈ガス路下流側に排出する混合ガス排出孔（例えば、後述する実施例における混合ガス排出孔６１）と、
前記希釈容器内に略鉛直姿勢に設置され、該希釈容器内を、前記アノードオフガス導入路および前記希釈ガス放出孔が連通する上流室（例えば、後述する実施例における上流室５４）と、前記混合ガス排出孔が連通する下流室（例えば、後述する実施例における下流室５５）に区画する少なくとも１つの仕切板（例えば、後述する実施例における仕切板５３）と、
前記上流室と前記下流室とを連通する連通ガス路（例えば、後述する実施例における連通ガス路５６）と、
を備え、
前記アノードオフガス放出孔は、アノードオフガスを前記仕切板に向かって放出するように設けられ、
前記アノードオフガス放出孔と前記希釈ガス放出孔は互いに非対向の位置関係に設定され、
前記アノードオフガス放出孔は、前記希釈容器内に水平姿勢に貫入した前記アノードオフガス導入路の先端に鉛直方向斜め上向きに形成された開口端で構成され、
前記希釈ガス放出孔は、前記アノードオフガス放出孔から放出されるアノードオフガスが前記希釈ガス放出孔を介して前記希釈ガス路に逆流するのを防止するように、前記アノードオフガス放出孔の鉛直方向下方で、その開口が鉛直上方側を向くように設けられていることを特徴とする。
この排出ガス処理装置では、希釈ガス路を流通する希釈ガスの一部が希釈ガス放出孔から上流室内に放出され、アノードオフガスがアノードオフガス導入路のアノードオフガス放出孔から上流室内に放出される。アノードオフガス放出孔から放出されたアノードオフガスは、仕切板に衝突して流れの向きを変え、且つ、仕切板に衝突することによって流速を低下させ、適度な流速で上流室内のほぼ全体に広がっていく。これにより、上流室内においてアノードオフガスは希釈ガスと一部混合されながら、連通ガス路を通って下流室へ流入し、混合ガス排出孔へ向かって流れていく。この間にも上流室から流入する混合ガスと下流室内のガスとの混合がさらに行われる。そして、下流室のガスは混合ガス排出孔から希釈ガス路に排出され、希釈ガス路を流通する希釈ガスと混合され、希釈されて排出される。仕切板を設けたことにより希釈容器内でのガスの移動距離を長くすることができる。また、アノードオフガスが仕切板に衝突することで、アノードオフガス中の蒸気を凝縮させ易くなり、仕切板に付着した液体を鉛直姿勢の仕切板に伝わせて落下させることができる。
また、アノードオフガス放出孔から放出されるアノードオフガスが、希釈ガス放出孔を介して希釈ガス路に逆流するのを防止することができる。また、アノードオフガス導入路の先部に液溜まりが生じるのを防止することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記希釈ガス路は、前記希釈容器内の液体を排出するための排液孔（例えば、後述する実施例における排液孔６０）を有していることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記連通ガス路が前記希釈容器内の前記仕切板の上方に配置されており、前記希釈容器の上部には、前記連通ガス路に接続されて前記希釈容器内のガスを外部に排出するガス排出孔（例えば、後述する実施例における上部ガス排出孔６２）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の停止時に希釈容器内の上部に溜まるアノードオフガスを、ガス排出孔から容易に排出することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、前記希釈ガス放出孔は前記希釈容器における軸心方向の一端部近傍に配置され、前記混合ガス排出孔は前記希釈容器の軸心方向の他端部近傍に配置されていることを特徴とする。
このように構成することにより、希釈容器内でのガスの移動距離を長くすることができる。

請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記希釈ガス路は前記希釈容器に貫通設置され、前記希釈ガス放出孔と前記混合ガス排出孔の少なくとも一方が前記希釈ガス路に直接設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、排出ガス処理装置の構造が簡単になる。

請求項６に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）のアノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）から排出されるアノードオフガスを希釈ガスと混合して希釈し排出する燃料電池の排出ガス処理装置（例えば、後述する実施例における排出ガス処理装置５０）において、
希釈容器（例えば、後述する実施例における希釈容器５１）と、
前記アノードオフガスを前記希釈容器内に放出するアノードオフガス放出孔（例えば、後述する実施例におけるアノードオフガス放出孔５２ａ）を有するアノードオフガス導入路（例えば、後述する実施例におけるアノードオフガス導入管５２）と、
前記希釈ガスが流通する希釈ガス路（例えば、後述する実施例における希釈ガス管５７）と、
前記希釈ガス路に連通し、該希釈ガス路を流通する前記希釈ガスを前記希釈容器内に放出する希釈ガス放出孔（例えば、後述する実施例における希釈ガス放出孔５８）と、
前記希釈ガス路に連通し、前記希釈容器内で混合された前記アノードオフガスと希釈ガスの混合ガスを前記希釈ガス放出孔との連通部よりも前記希釈ガス路下流側に排出する混合ガス排出孔（例えば、後述する実施例における混合ガス排出孔６１）と、
前記希釈ガス路に設けられ、前記希釈ガス放出孔が連通する部位と前記混合ガス排出孔が連通する部位との間に配置された絞り部（例えば、後述する実施例における絞り部５９）と、
を備え、
前記アノードオフガス放出孔と前記希釈ガス放出孔は互いに非対向の位置関係に設定され、
前記アノードオフガス放出孔は、前記希釈容器内に水平姿勢に貫入した前記アノードオフガス導入路の先端に鉛直方向斜め上向きに形成された開口端で構成され、
前記希釈ガス放出孔は、前記アノードオフガス放出孔から放出されるアノードオフガスが前記希釈ガス放出孔を介して前記希釈ガス路に逆流するのを防止するように、前記アノードオフガス放出孔の鉛直方向下方で、その開口が鉛直上方側を向くように設けられていることを特徴とする。
この排出ガス処理装置では、希釈ガス路を流通する希釈ガスの一部が希釈ガス放出孔から希釈容器内に放出され、アノードオフガスがアノードオフガス導入路のアノードオフガス放出孔から希釈容器内に放出される。これにより、希釈容器内でアノードオフガスと希釈ガスが混合される。そして、希釈ガス路の絞り部の絞り具合を所定に設定することにより、希釈ガス放出孔から希釈容器内に放出される希釈ガス流量を調整することができる。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載の発明において、前記希釈ガス路は前記希釈容器に貫通設置され、前記希釈ガス放出孔と前記混合ガス排出孔の少なくとも一方が前記希釈ガス路に直接設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、排出ガス処理装置の構造が簡単になる。

請求項１に係る発明によれば、希釈容器内に仕切板を設け、且つ、アノードオフガスを希釈容器内に導入する際にアノードオフガスを前記仕切板に向けて放出しているので、アノードオフガスの吹き抜けを防止するとともに、アノードオフガスの導入時のガスの勢いを落とすことができる。これにより、アノードオフガスを希釈して排出することが容易にできる。また、仕切板の存在により、アノードオフガス中の水分を希釈容器の下方に集合させ易くなり、排出が容易になる。
さらに、この発明によれば、アノードオフガス放出孔から放出されるアノードオフガスが、希釈ガス放出孔を介して希釈ガス路に逆流するのを防止することができるので、アノードオフガスが希釈不十分なまま排出されるのを防止することができる。また、アノードオフガス導入路の先部に液溜まりが生じるのを防止することができるので、アノードオフガス導入路が液溜まりによって閉塞するのを防止することができる。

請求項３に係る発明によれば、燃料電池の停止時に希釈容器内の上部に溜まるアノードオフガスを、ガス排出孔から容易に排出することができるので、停止中に希釈容器内のアノードオフガスが上流側に逆流するのを防止することができる。
請求項４に係る発明によれば、希釈容器内でのガスの移動距離を長くすることができるので、ガスの滞留時間を稼ぐことができ、希釈に必要な十分な時間を確保することができる。
請求項５に係る発明によれば、排出ガス処理装置の構造が簡単になる。

請求項６に係る発明によれば、希釈ガス路の絞り部の絞り具合を所定に設定することにより、希釈ガス放出孔から希釈容器内に放出される希釈ガス流量を、アノードオフガスの希釈に最適な流量に設定することができ、アノードオフガスを十分に希釈して排出することができる。
さらに、この発明によれば、アノードオフガス放出孔から放出されるアノードオフガスが、希釈ガス放出孔を介して希釈ガス路に逆流するのを防止することができるので、アノードオフガスが希釈不十分なまま排出されるのを防止することができる。また、アノードオフガス導入路の先部に液溜まりが生じるのを防止することができるので、アノードオフガス導入路が液溜まりによって閉塞するのを防止することができる。

請求項７に係る発明によれば、排出ガス処理装置の構造が簡単になる。

以下、この発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置の実施例を図１から図４の図面を参照して説明する
図１は、この発明に係る排出ガス処理装置を備えた燃料電池システムの概略構成図であり、この実施例では燃料電池車両に搭載されている。
燃料電池１は、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２をアノード３とカソード４とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており（図１では単セルのみを示す）、アノード３に燃料ガスとして水素ガス（反応ガス）を供給し、カソード４に酸化剤ガスとして酸素（反応ガス）を含む空気を供給すると、アノード３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過してカソード４まで移動して、カソード４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。

空気はスーパーチャージャー（Ｓ／Ｃ）などのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給路８を通って燃料電池１のカソード４に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出路９に排出され、圧力制御弁１０を介して排出ガス処理装置５０に導入される。以下、燃料電池１に供給される空気を供給空気、燃料電池１から排出される空気を排出空気（希釈ガス）として区別する。

一方、水素タンク１５から供給される水素ガスは水素ガス供給路１７を流通し、その途中でレギュレータ１６によって所定圧力に減圧され、流量制御弁２３により所定流量に制御され、エゼクタ１９を通って燃料電池１のアノード３に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス路１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池１のアノード３に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス路１８、およびエゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給路１７を通って、燃料電池１を循環する。なお、この実施例において、エゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給路１７とアノードオフガス路１８は燃料ガス循環路２０を構成する。

アノードオフガス路１８からは、排出弁２１を備えたアノードオフガス排出路２２が分岐しており、アノードオフガス排出路２２は排出ガス処理装置５０に接続されている。この排出ガス処理装置５０において、アノードオフガス排出路２２から排出されたアノードオフガスは、空気排出路９から排出された排出空気によって希釈され、混合ガス排出路３０を介して排出部へ排出される。
また、排出ガス処理装置５０は、その上部からも内部のガスを、必要に応じてガス抜き弁３１を開くことにより、ガス抜き路３２を介して排出可能に構成されている。ガス抜き路３２は、ファン３４から空気が供給される空気排出路３３に接続されており、ガス抜き路３２との接続部にはエゼクタ３５が設けられている。

燃料電池１の発電で得られた電力は車両駆動用モータ（図示略）などの負荷に供給される。
また、コンプレッサ７の回転数、圧力制御弁１０および流量制御弁２３の開度、排出弁２１とガス抜き弁３１の開閉は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）４０により制御される。

このように構成された燃料電池システムにおいては、連続運転をしていると、前述したように燃料ガス循環路２０を流通する水素ガス中の不純物（水分や窒素など）の濃度が高まってきて燃料電池１の発電が不安定になる場合がある。
そのため、この燃料電池システムでは、ＥＣＵ４０により、燃料電池システムが一定時間連続運転したと判断されたとき、あるいは、燃料電池１の発電の安定性が低下したと判断されたときに、不純物排出要求ありと判断して排出弁２１を開き、不純物を含むアノードオフガスをアノードオフガス路１８からアノードオフガス排出路２２を介して排出ガス処理装置５０に排出し、燃料電池１のアノード３を流通する水素ガス中の不純物濃度を所定値以下となるように管理して、燃料電池１の発電を安定した状態に保持する。

次に、排出ガス処理装置５０の構成を図２から図４の図面を参照して詳述する。 排出ガス処理装置５０は、密閉筒状の希釈容器５１を備えている。希釈容器５１は、その軸心を略水平方向に沿わせた姿勢で車両に設置されており、軸心方向の全長に亘って、軸心方向に直交する断面形状が同一の楕円形をなし、その楕円の長軸が鉛直方向に配されている。
換言すると、希釈容器５１は、その軸心を略水平姿勢に設置されていて、軸心方向に対し直交する断面形状は、その閉断面の全周に亘って外側に凸曲状をなす曲線で構成されている。

希釈容器５１の軸心方向一端側の端板５１ａには、軸心を希釈容器５１の軸心よりも若干下方において水平姿勢に配置されたアノードオフガス導入管（アノードオフガス導入路）５２が貫通固定されている。希釈容器５１内に挿入されたアノードオフガス導入管５２の先端は斜めにカットされてアノードオフガス放出孔５２ａにされている。アノードオフガス放出孔５２ａはその開口を斜め上方に指向させている。このアノードオフガス導入管５２の基端にアノードオフガス排出路２２が接続されており、排出弁２１が開いたときにアノードオフガスがアノードオフガス放出孔５２ａから希釈容器５１内に導入される。

また、希釈容器５１の内部には、アノードオフガス導入管５２の先端よりも前方であって希釈容器５１の軸心方向略中央に、仕切板５３が略鉛直姿勢に固定されている。仕切板５３は楕円の上部を切り欠いた形状をなし、その切欠部５３ａを除いて希釈容器５１の内面に密接して固定されている。希釈容器５１内は仕切板５３によって、アノードオフガス導入管５２および後述する希釈ガス放出孔５８に連通する上流室５４と、後述する混合ガス排出孔６１に連通する下流室５５に区画され、切欠部５３ａよりも上側は上流室５４と下流室５５とを連通する連通ガス路５６となる。
仕切板５３の切欠部５３ａは希釈容器５１の軸心よりも十分上方に位置しており、アノードオフガス導入管５２の軸心延長上にも仕切板５３が存在する。したがって、図３に示すように、アノードオフガス放出孔５２ａから放出されるアノードオフガスの多くは仕切板５３に向かって放出されることとなり、一部がアノードオフガス放出孔５２ａから斜め上方に放出されることとなる。
また、希釈容器５１には仕切板５３の上方に上部ガス排出孔（ガス排出孔）６２が設けられており、この上部ガス排出孔６２にガス抜き路３２が接続されている。

さらに、希釈容器５１には、軸心方向一端側の端板５１ａから他端側の端板５１ｂに貫通する希釈ガス管（希釈ガス路）５７が、希釈容器５１の内面の最下部（内底部）に沿って固定されている。この希釈ガス管５７は仕切板５３をも貫通している。希釈ガス管５７は、その上流側端部５７ａに空気排出路９が接続され、下流側端部５７ｂに混合ガス排出路３０が接続されており、燃料電池１のカソードから空気排出路９に排出された排出空気は、希釈ガス管５７を通り、混合ガス排出路３０を通って排出部に排出される。

希釈ガス管５７において上流室５４内に収容されている部分には、端板５１ａの近傍に、希釈ガス放出孔５８が設けられている。希釈ガス放出孔５８は希釈ガス管５７の頂部に開口しており、アノードオフガス導入管５２のアノードオフガス放出孔５２ａよりも端板５１ａに接近した位置に設けられている。この希釈ガス放出孔５８は、希釈ガス管５７を流通する排出空気の一部を上流室５４に放出する。なお、この実施例では、希釈ガス放出孔５８を希釈ガス管５７に直接設けているので、希釈ガス放出孔５８自身が希釈ガス放出孔５８と希釈ガス管５７との連通部を兼ねている。
ここで、アノードオフガス放出孔５２ａは前述したように斜め上方を指向しており、希釈ガス放出孔５８は真上を指向しているので、アノードオフガス放出孔５２ａと希釈ガス放出孔５８は互いに非対向の位置関係にあると言える。これにより、アノードオフガス放出孔５２ａから放出されたアノードオフガスが、希釈ガス放出孔５８を介して希釈ガス管５７に逆流するのを防止することができるので、アノードオフガスが希釈不十分なまま排出されるのを防止することができる。

また、希釈ガス管５７において上流室５４内に収容されている部分には、希釈ガス放出孔５８よりも下流側に、希釈ガス管５７の上部を凹ませて開口面積を縮小させた絞り部５９が設けられている。この絞り部５９の絞り具合（開口面積）によって、希釈ガス放出孔５８から上流室５４内に導入される排出空気流量を調整することができる。
なお、この実施例においては、希釈ガス管５７は絞り部５９を除き同一管径に形成されている。

さらに、希釈ガス管５７において絞り部５９よりも下流側には、上流室５４と下流室５５のそれぞれに収容されている部分に、排液孔６０が設けられている。図４に示すように、排液孔６０は、希釈ガス管５７の下半部であって希釈容器５１の内面の最下部（内底部）との接触点近傍に、左右一対ずつ設けられている。上流室５４あるいは下流室５５の内底部に溜まった液体は、これら排液孔６０を介して希釈ガス管５７内に吸い込まれる。
なお、この実施例では、排液孔６０を希釈ガス管５７に直接設けているので、排液孔６０自身が排液孔６０と希釈ガス管５７との連通部になる。

また、希釈ガス管５７において下流室５５内に収容されている部分には、排液孔６０よりも下流側であって端板５１ｂの近傍に、混合ガス排出孔６１が設けられている。混合ガス排出孔６１は希釈ガス管５７の頂部に開口しており、この混合ガス排出孔６１を介して下流室５５内のガスが希釈ガス管５７内に排出される。
なお、この実施例では、混合ガス排出孔６１を希釈ガス管５７に直接設けているので、混合ガス排出孔６１自身が混合ガス排出孔６１と希釈ガス管５７との連通部を兼ねている。

次に、この排出ガス処理装置５０の作用を説明する。
この排出ガス処理装置では、コンプレッサ７から燃料電池１のカソード４に空気を供給している間は常時、燃料電池１のカソード４から排出される排出空気が、空気排出路９および圧力制御弁１０を介して排出ガス処理装置５０の希釈ガス管５７に導入され、該希釈ガス管５７を混合ガス排出路３０に向かって流通しており、希釈ガス管５７を流通する排出空気の一部が希釈ガス放出孔５８から上流室５４内に放出される。

一方、アノードオフガスは、前述したように、ＥＣＵ４０が不純物排出要求ありと判断したときに排出弁２１が開いて、アノードオフガス路１８から排出され、アノードオフガス排出路２２を介して排出ガス処理装置５０のアノードオフガス導入管５２に導入され、アノードオフガス放出孔５２ａから上流室５４内に放出される。

アノードオフガス放出孔５２ａから放出されたアノードオフガスは、図３に示すように、仕切板５３に衝突して流れの向きを変え、且つ、仕切板５３に衝突することによって流速を低下させ、適度な流速で上流室５４内のほぼ全体に広がっていく。これにより、上流室５４内においてアノードオフガスは排出空気と一部混合されながら、連通ガス路５６を通って下流室５５へ流入し、混合ガス排出孔６１へ向かって流れていく。この間にも上流室５４から流入する混合ガスと下流室５５内のガスとの混合がさらに行われる。そして、下流室５５のガスは混合ガス排出孔６１から希釈ガス管５７に排出され、希釈ガス管５７を流通する排出空気と混合され、さらに希釈されて排出される。

この実施例では、仕切板５３を設けたことにより希釈容器５１内でのガスの移動距離を長くすることができる。さらに、希釈ガス放出孔５８を希釈容器５１における軸心方向の一端部近傍に配置し、混合ガス排出孔６１を希釈容器５１における軸心方向の他端部近傍に配置したことによっても、希釈容器５１内でのガスの移動距離を長くすることができる。その結果、希釈容器５１内でのガスの滞留時間を稼ぐことができ、希釈に必要な時間を確保することができるので、アノードオフガスを確実に希釈することができる。

また、前述したように、希釈ガス管５７において希釈ガス放出孔５８の下流に設けた絞り部５９の絞り具合（開口面積）で、希釈ガス放出孔５８から上流室５４内に導入される排出空気流量を調整することができるので、この絞り部５９の絞り具合（開口面積）を所定に設定することにより、希釈ガス放出孔５８から上流室５４内に放出される希釈ガス流量を、アノードオフガスの希釈に最適な流量に設定することができ、アノードオフガスを十分に希釈して排出することができる。

また、前述したように希釈容器５１に導入されるアノードオフガス中には、液体あるいは気体（蒸気）の状態で水分が含まれている。
この実施例では、アノードオフガス導入管５２の軸心が水平姿勢に配置され、且つ、アノードオフガス導入管５２の先端を斜めにカットしてアノードオフガス放出孔５２ａを形成しているので、アノードオフガス導入管５２の先部に液溜まりが生じるのを防止することができ、アノードオフガス導入管５２が液溜まりによって閉塞するのを防止することができる。
さらに、この実施例では、アノードオフガス放出孔５２ａからアノードオフガスを仕切板５３に向かって放出しているので、アノードオフガスに含まれる液体は、仕切板５３に衝突して付着し、鉛直姿勢の仕切板５３を伝わって落下していく。また、アノードオフガス中の蒸気も仕切板５３に衝突することで凝縮を促進され、この凝縮液も鉛直姿勢の仕切板５３を伝わって落下していく。つまり、仕切板５３はアノードオフガス中の水分を捕捉し、希釈容器５１の下方に集合させ易くする。

また、アノードオフガス中の水分（液体および蒸気）は、希釈容器５１の内面においても捕捉される。希釈容器５１の内面に付着した液体、および、希釈容器５１の内面において凝縮した凝縮液は、図４に示すように、希釈容器５１の内面を伝わって落下していく。
この実施例では、希釈容器５１の軸心が略水平姿勢に設置され、軸心方向に対し直交する断面の形状がその閉断面の全周に亘って外側に凸曲状をなしているので、希釈容器５１内の鉛直方向最下部（すなわち、希釈容器５１の内底部）に液体を確実に集めることができ、その他の部位に液溜まりが生じることがない。
特にこの実施例では、希釈容器５１の前記断面形状が楕円形であり、該楕円の長軸が鉛直方向に配されているので、希釈容器５１の内面を伝わって流れ落ちる液体の流速を速めることができ、その結果、液体を迅速に希釈容器５１の最下部（すなわち、内底部）に集めることができる。

このようにして希釈容器５１の内底部に集められた液体は、排液孔６０から希釈ガス管５７内に吸引され、混合ガスとともに混合ガス排出路３０に排出される。
また、この実施例では、排液孔６０の直ぐ上流に絞り部５９が設けられているので、液体を吸引する吸引力を大きくすることができ、希釈容器５１に溜まった液体を効果的に吸い込むことができる。そのため、液体を速やかに排出することができる。吸引力を大きくすることができるのは、絞り部５９より上流側よりも下流側の方が圧力が低いためである。

また、燃料電池１を停止している間に、希釈容器５１内において僅かに残留するアノードオフガス（水素ガス）が上部に溜まる場合があるが、そのときにはガス抜き弁３１を開放することによって、前記アノードオフガスをガス抜き路３２を介して空気排出路３３に排出することができる。なお、その際には、ファン３４を運転し、エゼクタ３５を介して、空気排出路３３に空気を流通させる。これにより、燃料電池１の停止中に希釈容器５１の上部に溜まったアノードオフガスを、希釈ガスの負圧により吸引しながら、希釈して排出することができる。その結果、燃料電池１の停止中に希釈容器５１内のアノードオフガスが上流に逆流するのを防止することができる。

また、この実施例においては、希釈ガス放出孔５８、混合ガス排出孔６１、排液孔６０がいずれも希釈ガス管５７に直接設けられているので、排出ガス処理装置の構造が簡単になる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、希釈ガスとして燃料電池のカソードから排出される排出空気（カソードオフガス）を用いたが、希釈ガスはこれに限られるものではない。
また、希釈ガス放出孔、混合ガス排出孔、排液孔を希釈ガス路に直接設けず、希釈ガス路から分岐した分岐管にこれらの孔を設けることも可能である。
また、本実施例においては、仕切板は１枚のみであったが、これを複数枚にし、たとえば互い違いに配置してもよい。この場合、複数の仕切板のうち一部の仕切板が上流室、下流室を形成し、上流室と下流室を連通する箇所が連通ガス路となる。
また、本実施例においては、仕切板は切欠部を除いて希釈容器内面に密接して固定しているが、仕切板の最下部にスリットを設けてもよい。このようにすることで、希釈容器内部の液体が仕切板を通って移動をすることができるため、たとえば排水孔が上流室、下流室のいずれかのみにしか設置されなかった場合においても排水孔が設置しなかった箇所の排水を行えるため好ましい。
また、連通ガス路を前述した実施例においては切りかき部によって形成したが、配管によって形成してもよい。

この発明に係る排出ガス処理装置を備えた燃料電池システムの概略構成図である。 実施例における排出ガス処理装置の斜視図である。 前記排出ガス処理装置の断面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
３ アノード
５０ 排出ガス処理装置
５１ 希釈容器
５２ アノードオフガス導入管（アノードオフガス導入路）
５２ａ アノードオフガス放出孔
５３ 仕切板
５４ 上流室
５５ 下流室
５６ 連通ガス路
５７ 希釈ガス管（希釈ガス路）
５８ 希釈ガス放出孔
５９ 絞り部
６０ 排液孔
６１ 混合ガス排出孔
６２ 上部ガス排出孔（ガス排出孔）

Claims (7)

1. 燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを希釈ガスと混合して希釈し排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、
   希釈容器と、
   前記アノードオフガスを前記希釈容器内に放出するアノードオフガス放出孔を有するアノードオフガス導入路と、
   前記希釈ガスが流通する希釈ガス路と、
   前記希釈ガス路に連通し、該希釈ガス路を流通する前記希釈ガスを前記希釈容器内に放出する希釈ガス放出孔と、
   前記希釈ガス路に連通し、前記希釈容器内で混合された前記アノードオフガスと希釈ガスの混合ガスを前記希釈ガス放出孔との連通部よりも前記希釈ガス路下流側に排出する混合ガス排出孔と、
   前記希釈容器内に略鉛直姿勢に設置され、該希釈容器内を、前記アノードオフガス導入路および前記希釈ガス放出孔が連通する上流室と、前記混合ガス排出孔が連通する下流室に区画する少なくとも１つの仕切板と、
   前記上流室と前記下流室とを連通する連通ガス路と、
   を備え、
   前記アノードオフガス放出孔は、アノードオフガスを前記仕切板に向かって放出するように設けられ、
   前記アノードオフガス放出孔と前記希釈ガス放出孔は互いに非対向の位置関係に設定され、
   前記アノードオフガス放出孔は、前記希釈容器内に水平姿勢に貫入した前記アノードオフガス導入路の先端に鉛直方向斜め上向きに形成された開口端で構成され、
   前記希釈ガス放出孔は、前記アノードオフガス放出孔から放出されるアノードオフガスが前記希釈ガス放出孔を介して前記希釈ガス路に逆流するのを防止するように、前記アノードオフガス放出孔の鉛直方向下方で、その開口が鉛直上方側を向くように設けられていることを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
2. 前記希釈ガス路は、前記希釈容器内の液体を排出するための排液孔を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
3. 前記連通ガス路が前記希釈容器内の前記仕切板の上方に配置されており、前記希釈容器の上部には、前記連通ガス路に接続されて前記希釈容器内のガスを外部に排出するガス排出孔が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
4. 前記希釈ガス放出孔は前記希釈容器における軸心方向の一端部近傍に配置され、前記混合ガス排出孔は前記希釈容器の軸心方向の他端部近傍に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
5. 前記希釈ガス路は前記希釈容器に貫通設置され、前記希釈ガス放出孔と前記混合ガス排出孔の少なくとも一方が前記希釈ガス路に直接設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。
6. 燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを希釈ガスと混合して希釈し排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、
   希釈容器と、
   前記アノードオフガスを前記希釈容器内に放出するアノードオフガス放出孔を有するアノードオフガス導入路と、
   前記希釈ガスが流通する希釈ガス路と、
   前記希釈ガス路に連通し、該希釈ガス路を流通する前記希釈ガスを前記希釈容器内に放出する希釈ガス放出孔と、
   前記希釈ガス路に連通し、前記希釈容器内で混合された前記アノードオフガスと希釈ガスの混合ガスを前記希釈ガス放出孔との連通部よりも前記希釈ガス路下流側に排出する混合ガス排出孔と、
   前記希釈ガス路に設けられ、前記希釈ガス放出孔が連通する部位と前記混合ガス排出孔が連通する部位との間に配置された絞り部と、
   を備え、
   前記アノードオフガス放出孔と前記希釈ガス放出孔は互いに非対向の位置関係に設定され、
   前記アノードオフガス放出孔は、前記希釈容器内に水平姿勢に貫入した前記アノードオフガス導入路の先端に鉛直方向斜め上向きに形成された開口端で構成され、
   前記希釈ガス放出孔は、前記アノードオフガス放出孔から放出されるアノードオフガスが前記希釈ガス放出孔を介して前記希釈ガス路に逆流するのを防止するように、前記アノードオフガス放出孔の鉛直方向下方で、その開口が鉛直上方側を向くように設けられていることを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
7. 前記希釈ガス路は前記希釈容器に貫通設置され、前記希釈ガス放出孔と前記混合ガス排出孔の少なくとも一方が前記希釈ガス路に直接設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の排出ガス処理装置。

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