JP5115016B2 - 燃料電池の排ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の排ガス処理装置に係り、詳しくは燃料電池の排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように処理する燃料電池の排ガス処理装置関する。

排気ガスによる地球温暖化の抑制のため動力源として燃料電池が注目され、一部実用化されている。燃料電池は水素と酸素との反応によって電気エネルギーを生成するが、燃料電池システムでは、カソードに酸素を直接使用する代わりに空気を供給して空気中の酸素を使用する構成が一般的である。そして、カソードで生成した水や窒素の一部が電解質膜をカソード側からアノード側へ逆拡散するため、燃料電池が稼動を続けると、アノードの水や窒素の濃度が高くなり、それらの濃度がある程度以上になると、発電効率が低下する。これを防止あるいは抑制するため、一般に、アノードに溜まった水分及び窒素を水素ガスと共に排出するアノードパージが行われている。アノードパージを行う際に、アノードオフガスをそのまま直接大気中に排気すると、水素濃度が高すぎる。そこで、水素ガスの濃度を下げる排ガス処理装置として、アノードオフガスをカソードオフガスで希釈して排気する排ガス処理装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

特許文献１に記載された排ガス処理装置は、図１４に示すように、軸心を略水平にした希釈容器５１と、アノードオフガスを希釈容器５１内に放出す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５２と、希釈容器５１の内底部に沿って貫通設置され希釈ガスが流通する希釈ガス路５７とを備えている。また、希釈ガス路５７を流通する希釈ガスを希釈容器５１内に放出する希釈ガス放出孔５８と、希釈容器５１内で混合されたアノードオフガスと希釈ガスの混合ガスを希釈ガス路５７に排出する混合ガス排出孔５９とを備えている。さらに、希釈容器５１内に略鉛直姿勢に設置され、希釈容器５１内を上流室５４と下流室５５に区画する仕切板５３と、上流室５４と下流室５５とを連通する連通ガス路５６とを備え、アノードオフガス放出孔５２ａは、アノードオフガスを仕切板５３に向かって放出するように設けられている。

特許文献２に記載された排ガス処理装置は、図１５に示すように、燃料電池のアノードから排出された水素を、水素導入口６０から導入し、滞留させる滞留室６１ａを有する滞留器６１を備え、滞留した水素を水素排出口６２から排出し、排出された水素をカソードオフガス（希釈用ガス）で希釈した後に外部に排出する。滞留室６１ａには、アノードオフガスが水素導入口６０から滞留室６１ａに導入されるときを除いて、ドライエア導入部６３からドライエアが導入されるようになっている。排ガス処理装置は、滞留室６１ａへの水素の導入を規制する第１閉塞体６４と、滞留室６１ａからの水素の排出を規制する第２閉塞体６５と、水素が水素導入口６０から滞留室６１ａに導入されたとき、水素が水素排出口６２から排出されないように、第１閉塞体６４と第２閉塞体６５とを連動させる連結アーム６６とを備えている。連結アーム６６は、滞留器６１の軸方向に沿って配置されており、その側面視において、やや開いたＬ字形を呈し、上流側の第１腕６６ａと下流側の第２腕６６ｂを備えている。

連結アーム６６の中央部は、滞留器６１内の配管６７に、軸部材６６ｃおよび台座６６ｄを介して、回動自在に固定されている。そして、連結アーム６６の曲がり程度は、第１閉塞体６４が水素導入口６０を閉じているときに第２閉塞体６５は水素排出口６２を開き、第１閉塞体６４が水素導入口６０を開いているときに第２閉塞体６５は水素排出口６２を閉じるように設定されている。第１腕６６ａの上流側端に付勢錘６８が固定されており、付勢錘６８の自重により、第１腕６６ａを介して、水素導入口６０を閉じるように第１閉塞体６４を付勢するようになっている。付勢錘６８の質量（重さ）は、水素パージ時に配管６７を流れ、第１閉塞体６４の上流側面に到達した水素が、第１閉塞体６４を滞留室６１ａ側に押すことによって、水素導入口６０を開くことができる質量に設定されている。
特開２００６−３１９９８号公報 特開２００６−３４４４７０号公報

特許文献２の排ガス処理装置では、アノードオフガスが滞留室６１ａに導入されるときに第２閉塞体６５により水素排出口６２が閉塞され、水素排出口６２から滞留室６１ａ内の希釈されたアノードオフガスを排出するため、第２閉塞体６５が開放位置に配置されると、第１閉塞体６４により水素導入口６０が閉塞される。したがって、アノードパージされた場合に高濃度の水素が排気されるのが抑制される。しかし、排ガス処理装置は構造が複雑であるばかりでなく、第１閉塞体６４及び第２閉塞体６５が円滑に移動（回動）できるように維持するためのメンテナンスに手間がかかるという問題がある。

一方、特許文献１の排ガス処理装置は、特許文献２と異なりアノードオフガスの上流室５４への導入を規制したり、希釈ガス放出孔５８からのガスの放出を規制したりするための複雑な構成は設けられていない。しかし、特許文献１の構成では、上流室５４へ希釈ガスを導入する希釈ガス放出孔５８と、下流室５５から希釈されたアノードオフガスを排出する混合ガス排出孔５９とが１本の希釈ガス路５７の途中に形成された孔で構成されている。そのため、上流室５４へ導入される希釈ガスの量と、下流室５５から排出されるガスの量を適正な量に調整するのが難しいという問題がある。また、仕切板５３で区画された上流室５４にアノードオフガス及び希釈ガスが導入される構成のため、アノードパージされた場合に上流室５４に導入された希釈ガスの流れに乗って、アノードオフガスが上流室５４内に十分拡散されずに、希釈ガスと共に下流室５５へ移動して混合ガス排出孔５９から排出される割合が多くなる。つまりアノードパージされたとき一時的に排気ガス中の水素濃度が高くなる虞がある。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、従来技術に比較して簡単な構成で、排気部から大気中に排出される排気ガス中の水素濃度のピークを低くすることができる燃料電池の排ガス処理装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１及び請求項２に記載の発明は、燃料電池のアノードオフガスが間欠的に導入されるとともに希釈用ガスで希釈して排出する燃料電池の排ガス処理装置である。そして、希釈容器を有し、前記希釈容器は、第１室と第２室とに仕切り板により区画されるとともに、前記仕切り板に前記第１室と前記第２室とを連通させる隙間が設けられ、前記第１室には排気部及び希釈用ガス導入部が設けられ、前記第２室にはアノードオフガス導入部が設けられている。

この発明では、仕切り板により区画された第１室に希釈用ガスが導入され、第２室にアノードオフガスが導入される。第１室と第２室とは仕切り板に形成された隙間を介して連通されており、排気部は第１室に設けられているため第２室に導入されたアノードオフガスは第１室を経て排気部から排出される。第２室に導入されたアノードオフガスは第２室内で膨張拡散する。一方、第１室に導入された希釈用ガスは拡がりながら隙間に向かって進むとともに一部は隙間と対応する部分から排気部に向かって進み、排気部から排出される。また、希釈用ガスの一部は隙間から第２室へ進入した後、隙間付近で向きを変えて第２室から出る方向へ移動する状態となる。そして、第２室の隙間付近まで移動したアノードオフガスは、隙間付近で進入、退出を繰り返す状態の希釈用ガスの作用により順次第２室から第１室へ移動するとともに、排気部を経て希釈容器外へ排出される。その結果、従来技術に比較して簡単な構成で、排気部から大気中に排出される排気ガス中の水素濃度のピークを低くすることができる。

特に請求項１に記載の発明は、前記希釈用ガス導入部は、前記第１室に導入された希釈用ガスが前記隙間に向かう流れとなり、かつ前記隙間における流れがアノードオフガスが導入されていないときに隙間全体に流れるように、前記第１室へ導入される希釈用ガスの流れが前記仕切り板に当たって希釈用ガスの導入方向と垂直且つ前記仕切り板に平行な方向に拡がるように設けられている。この発明では、第１室に導入され、第２室へ至る希釈用ガスの流れが、アノードガスが導入された場合にアノードガスが直接排気部へ流れ込むことを抑制できる。また、第２室に導入されたアノードオフガスが希釈用ガスの作用により効率良く第１室へと移動して排気部から排出される。

特に請求項２に記載の発明は、前記アノードオフガス導入部と前記希釈用ガス導入部とは、前記アノードオフガスの導入方向と前記希釈用ガスの導入方向とが同じ方向になるように配置され、前記仕切り板は、前記アノードオフガス導入部側と反対側に傾く状態で配置され、前記隙間は前記仕切り板のうち前記アノードオフガス導入部から最も遠い位置に形成されている。この発明では、アノードオフガス導入部から第２室に導入されたアノードオフガスが第２室内で膨張、拡散して水素濃度が相対的に低くなった状態で隙間に到達し易くなる。また、希釈用ガス導入部から第１室に導入された希釈用ガスが仕切り板に沿って拡がりながら隙間の部分に到達した後、第２室内のガスと混合しつつ排気部から排出され易くなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記隙間は前記希釈容器の壁面と前記仕切り板の端部との間に形成されている。この発明では、仕切り板の配置角度や長さを変更することにより簡単に隙間を適正な値に設定することができる。

本発明によれば、従来技術に比較して簡単な構成で、排気部から大気中に排出される排気ガス中の水素濃度のピークを低くすることができる燃料電池の排ガス処理装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した排ガス処理装置を備えた燃料電池システムの一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１１は、燃料電池１２、水素タンク１３、加圧手段としてのコンプレッサ１４、加湿器１５及び排ガス処理装置１６を備えている。

燃料電池１２は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、水素タンク１３から供給される水素と、コンプレッサ１４から供給される空気中の酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。

水素タンク１３は、燃料電池１２の水素供給ポート（図示せず）に管路１７を介して連結され、管路１７には燃料電池１２へ供給される水素の圧力を調整する調圧弁（図示せず）が設けられている。調圧弁は、水素タンク１３に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁である。

コンプレッサ１４は、管路１８を介して加湿器１５に接続されている。加湿器１５は、供給管１９ａを介して燃料電池１２の酸素供給ポート（図示せず）に接続され、管路１９ｂを介してオフガス排出ポート（図示せず）に接続されている。そして、コンプレッサ１４で加圧された空気が加湿器１５で加湿された後、燃料電池１２の酸素供給ポート（図示せず）に供給され、燃料電池１２のカソード（図示せず）からのオフガスは管路１９ｂを介して加湿器１５に排出される。

加湿器１５には燃料電池１２のカソードオフガスを希釈用ガスとして排ガス処理装置１６に導くカソードオフガス排管２０の第１端部が接続され、カソードオフガス排管２０の第２端部は排ガス処理装置１６に接続されている。カソードオフガス排管２０の途中には調圧バルブ２１が設けられている。

燃料電池１２の水素排出ポート（図示せず）には、パージガス用配管２２の第１端部が接続され、パージガス用配管２２の第２端部は排ガス処理装置１６に接続されている。パージガス用配管２２の途中にはパージ用開閉弁（アノードパージバルブ）２３が設けられている。

調圧バルブ２１及びパージ用開閉弁２３は、制御手段としての制御装置２４に電気的に接続されている。制御装置２４は、調圧バルブ２１の開度調整あるいはパージ用開閉弁２３の開閉制御を行う。

次に排ガス処理装置１６について詳述する。図２（ａ），（ｂ）に示すように、排ガス処理装置１６を構成する希釈容器２５は縦長の四角箱状に形成され、縦が高さ方向となるようにして使用される。希釈容器２５は、仕切部および希釈用ガス導流部としての仕切り板２８を備え、カソードオフガスが導入される第１室２６と、アノードオフガスが導入される第２室２７とに仕切り板２８により区画されている。本実施例では仕切り板２８は仕切部と希釈用ガス導流部を兼ねている。仕切り板２８は、基端が希釈容器２５の天板２５ａに固定され、仕切り板２８の端部としての先端と希釈容器２５の分流部としての壁面２５ｂ、即ち希釈容器２５の壁面との間に、第１室２６と第２室２７とを連通させる連通部としての隙間２９が形成される状態に設けられている。つまり隙間２９はスリット状に形成されている。スリットの長手方向は希釈用ガスの流れ方向に対して垂直に形成されている。仕切り板２８は、第２室２７に導入されるアノードオフガスの導入方向に対して、先端側程遠くなるように傾く状態で配置されている。仕切り板２８は天板２５ａとの成す角度θが、例えば、４５度±２０度の範囲になるように配置されている。すなわち仕切り板２８はカソードオフガスの導入方向に対して傾いて配置されている。

天板２５ａには希釈用ガスとしてのカソードオフガスを第１室２６に導入する希釈用ガス導入部としてのカソードオフガス導入部３０と、アノードオフガスを第２室２７に導入するアノードオフガス導入部３１と、希釈容器２５に導入されたカソードオフガス及びアノードオフガスを第１室２６から排出する排気部３２とが設けられている。このように配置されるため、カソードオフガスは必ず第１室２６を通り、一旦膨張して排気される構成になっている。カソードオフガス導入部３０、アノードオフガス導入部３１及び排気部３２は、いずれもパイプで形成されている。カソードオフガス導入部３０及び排気部３２は同じ径のパイプで形成され、アノードオフガス導入部３１はカソードオフガス導入部３０より小さな径のパイプで形成されている。この実施形態では、各パイプはいずれも天板２５ａに垂直に固定されている。アノードオフガス導入部３１とカソードオフガス導入部３０とは、アノードオフガスの導入方向とカソードオフガスの導入方向とが同じになるように配置され、仕切り板２８は基端部からアノードオフガス導入部３１側と反対側（図２（ｂ）の左側）に傾く状態で配置されている。この構成をとることで、隙間２９は仕切り板２８のうちアノードオフガス導入部３１から最も遠い位置に形成されることになる。カソードオフガス導入部３０はカソードオフガス排管２０の第２端部に接続され、アノードオフガス導入部３１はパージガス用配管２２の第２の端部に接続される。排気部３２は図示しないマフラーに接続される。

カソードオフガス導入部３０は、第１室２６に導入されたカソードオフガスが隙間２９に向かう流れとなり、かつ隙間２９における流れがアノードパージ以外のときに全体的に拡がるように設けられている。この実施形態ではカソードオフガス導入部３０は、仕切り板２８の基端近傍で天板２５ａの奥行き方向（図２（ｂ）における紙面と垂直方向）の中央と対応する位置で、第１室２６へ導入されるカソードオフガスの流れが仕切り板２８に当たって仕切り板２８の幅方向（希釈容器２５の奥行き方向、すなわちカソードガスの導入方向と垂直且つ仕切り板２８に平行な方向）に拡がるように設けられている。

アノードオフガス導入部３１は、仕切り板２８の基端近傍で天板２５ａの奥行き方向の中央と対応する位置に設けられている。アノードオフガス導入部３１は、第２室２７に導入されるアノードオフガスが隙間２９から離れる方向に向かうように設けられている。

排気部３２は、天板２５ａの奥行き方向の中央と対応する位置で、カソードオフガス導入部３０から離れた位置に配置されている。
次に前記のように構成された燃料電池システム１１の作用を説明する。

燃料電池システム１１は、燃料電池１２の稼動時には、水素タンク１３からから所定の加圧状態で水素が燃料電池１２のアノード（水素極）に供給される。また、コンプレッサ１４が稼動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１２のカソード（空気極）に供給される。アノードに供給された水素は、触媒によって水素イオンと電子とに解離し、水素イオンが電解質膜を通って水と共にカソードへ移動する。カソードでは、カソードに供給された空気中の酸素と、電解質膜中を移動してカソードに達した水素イオンと、外部回路を通ってきた電子とが結合して水を生成する。カソードで発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気と共にカソードオフガスとして加湿器１５に排出され、排ガス処理装置１６を経て大気中に排気される。

また、カソードの水や窒素の一部が電解質膜をカソード側からアノード側へ逆拡散するため、燃料電池１２が稼動を続けると、アノードの水や窒素の濃度が高くなり、それらの濃度がある程度以上になると、発電効率が低下する。これを防止あるいは抑制するため、例えば、燃料電池１２が所定時間稼動を継続した時点でパージ用開閉弁２３が開放されて、アノードに溜まった水分及び窒素が水素ガスと共にパージガス用配管２２へ排出されるアノードパージが行われる。アノードパージによりパージガス用配管２２へ排出されたアノードオフガス（パージガス）は、パージガス用配管２２を介して排ガス処理装置１６に導入される。そして、導入されたアノードオフガスは排ガス処理装置１６においてカソードオフガスにより希釈された後、図示しないマフラーを経て大気中に排気される。

パージ用開閉弁２３の１回の開放時間は短い（例えば、０．１秒）。パージ用開閉弁２３の開放間隔（パージ間隔）は、燃料電池１２の稼動時間（発電量）に基づいて予め設定され、例えば、２０〜３０秒に設定される。

燃料電池１２は、アノードには一定圧力で水素が供給され、カソードには燃料電池１２が接続された図示しない負荷の要求に応じて、供給される空気の量が変更されるように稼動される。燃料電池１２に接続された負荷の要求が高負荷のときに燃料電池１２は高出力で稼動され、低負荷のとき低出力で稼動される。燃料電池１２の高出力稼動時にはカソードに供給される空気の量が多くなる。そのため、燃料電池１２が接続された負荷の要求が高負荷のときは、単にアノードオフガスをカソードオフガスで希釈して排気するだけで、排気ガス中の水素濃度は基準値以下になる。一方、燃料電池１２に接続された負荷の要求が低負荷のときは、燃料電池１２が低出力で稼動されて、カソードオフガスの量が相対的に減少し、アノードオフガスを排気ガス中の水素濃度を下げるように希釈するのには不十分な量になる。

しかし、この実施形態の燃料電池システム１１では、排ガス処理装置１６においてアノードオフガスがカソードオフガスによって以下のようにして希釈されて排気部３２から排出されるため、加湿器１５から排出されるカソードオフガスの量が少なくても、排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように希釈される。

図３（ａ）に示すように、カソードオフガス導入部３０から第１室２６に導入されたカソードオフガスは、仕切り板２８に当たって拡がりながら仕切り板２８の先端側に向かって移動し、隙間２９付近において矢印Ａで示す第２室２７へ向かう流れと、矢印Ｂで示す排気部３２へ向かう流れとに分流される。第２室２７へ向かう流れの一部は、仕切り板２８の先端部を回り込むようにして第２室２７内に進入し、一部は仕切り板２８の先端部から離れた位置で向きを変えて隙間２９から第１室２６側へ戻るように移動する状態となる。つまり、第１室２６から第２室２７へ流れた分、第２室２７から第１室２６へ戻る流れも生じる。したがってアノードパージが行なわれていないとき、すなわちアノードオフガスが第２室２７へ導入されていないとき、隙間２９の部分には、第１室２６及び第２室２７を行き来する流れが生じる。

ここで、隙間２９の部分の流れはカソードオフガスが隙間２９全体に流れる状況が好ましい。このことは、例えば前面が透明な希釈容器２５を用い、仕切り板２８の先端に糸を複数貼り付けて、タフト法により仕切り板２８の先端付近における糸の挙動を観察することにより確認できる。具体的には、ある瞬間では図３（ｂ），（ｃ）に示すように、各糸３３がそれぞれバラバラな方向に向いているが、継続して観察すると各糸３３が所定の角度（所定の方向）を中心にして両側に振れるように振動する状況である。ただし、上記のタフト法により観察できる状況に限るものではない。

隙間２９の部分の流れはカソードオフガスが隙間２９全体に流れる状況とはつまり、隙間２９には奥行き方向（図３（ａ）における紙面と垂直方向）における位置毎に流れの状態は異なるが、全体として見ると、第１室２６及び第２室２７を行き来する流れが存在する状態である。言い換えると隙間２９全体について第１室２６から第２室２７へ流れる流れと、第２室２７から第１室２６へ流れる流れが生じている。

この状況を言い換えると、カソードオフガスがスリット状の隙間２９へ、スリットの長手方向の長さに拡がって流れているといえる。カソードオフガスが隙間２９に十分拡がらずに流れる場合、流れが強い部分たとえば奥行き方向の中央部では第１室２６から第２室２７へ流れ、流れが弱い奥行き方向の両端部では第２室２７から第１室２６へ流れるため、カソードオフガスがスリットの長手方向の長さ以上に拡がらないことになる。

一方、アノードオフガス導入部３１から第２室２７に導入されたアノードオフガスは、膨張、拡散しながら底壁２５ｃに向かって進み、底壁２５ｃの作用により向きを変えることにより、第２室２７全体に拡散する（拡がる）状態になる。そして、第１室２６及び第２室２７を行き来する流れに達したアノードオフガスは、その流れによって第１室２６へ移動し、排気部３２に向かう流れとともに排気部３２から排気される。また、隙間２９におけるカソードオフガスの流れが、第２室から第１室への急激な流れの変化を抑制し、アノードパージの際に拡散する前のアノードオフガスが第１室へ流れ込むのを抑制する。即ち、アノードオフガス導入部３１から第２室２７に導入されたアノードオフガスが、拡散せずに隙間２９に向かって進み、隙間２９を通って第１室２６に進み排気部３２から排気されることはない。したがって、排ガス処理装置１６に導入されたアノードパージガスは、加湿器１５から排出されるカソードオフガスの量が少なくても、排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように希釈される。

実施例１，２として排ガス処理装置１６を燃料電池システム１１に組み込んで、排気部３２から排気される排気ガス中の水素濃度を測定した。結果を、アノードパージ時以外のカソードオフガスの流れが隙間２９全体に流れない実施例２の場合と仕切り板２８を設けない比較例の場合の結果と共に図５に示す。図５において、実線が実施例１を示し、点線が実施例２を示し、破線が比較列を示す。

なお、実施例２は実施例１に対してカソードオフガス導入部３０と排気部３２の位置を入れ替えた点が実施例１と異なる構成である。即ち、実施例２の排ガス処理装置１６は、図４に示すように、排気部３２が仕切り板２８の基端近くに配置され、カソードオフガス導入部３０が仕切り板２８の先端側に近い位置に配置されている。この構成の場合、カソードオフガス導入部３０から導入されたカソードオフガスが仕切り板２８に当ってから隙間２９までの距離が短くなる。したがって、実施例２はカソードオフガスが奥行き方向に拡がりきらない状態で隙間２９に達し、隙間２９の奥行き方向中央では第１室から第２室への流れが発生し、奥行き方向端部では第２室から第１室への流れが発生する状態が生じている。

実施例１，２に使用した排ガス処理装置１６の各部の寸法（図２（ａ），（ｂ）に図示）及び実験条件は次のとおりである。 希釈容器２５の内部の高さＨ：３００ｍｍ、幅Ｗ：１７０ｍｍ、奥行きｄ：１４０ｍｍ
仕切り板２８の角度θ：４５度、隙間２９の大きさＣ：５ｍｍ
天板２５ａから隙間２９までの距離ｈ：１００ｍｍ
カソードオフガス導入部３０及び排気部３２の内径１９ｍｍ
アノードオフガス導入部３１の内径８ｍｍ
カソードオフガスの流量：１分間に１８３×１０^−３ｍ^３
水素ゲージ圧力：１００ｋＰａ
アノードパージ間隔：２５秒
なお、水素ゲージ圧力とはパージ用開閉弁２３の直上流の圧力を意味する。

図５に示すように、比較例の場合は、アノードパージが行われるたびに、排気ガス中の水素濃度のピークが３．８〜３．９％になったのに対して、実施例１ではそのピークが１．１〜１．２％になり、実施例２ではほぼ１．７％になった。水素濃度の低下割合は、実施例１はピークの値が比較例のほぼ３０％に下がり、実施例２ではほぼ４４％に下がった。現在、排気ガス中の水素濃度は２％以下が好ましいとされているが、比較例ではその２倍近い値になった。しかし、実施例１，２の場合は、排気ガス中の水素濃度のピークをアノードパージが行われても２％未満に低く抑えることができた。隙間２９でのアノードオフガスの流れを隙間２９全体に流れるようにした実施例１の場合は、実施例２に比べてさらに水素濃度のピークを低く抑えることができた。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）排ガス処理装置１６は、カソードオフガスが導入される第１室２６と、アノードオフガスが導入される第２室２７とに仕切り板２８により区画されるとともに、仕切り板２８の先端側に第１室２６と第２室２７とを連通させる隙間２９が設けられている。第１室２６には排気部３２及びカソードオフガス導入部３０が設けられ、第２室２７にはアノードオフガス導入部３１が設けられている。したがって、従来技術に比較して簡単な構成で、排気部３２から大気中に排出される排気ガス中の水素濃度のピークを下げることができる。

（２）実施例１ではカソードオフガス導入部３０は第１室に導入された希釈用ガスが隙間２９に向かう流れとなり、かつ隙間２９における流れがアノードオフガスが導入されていないときに隙間２９全体に流れるように設けられている。したがって、第１室２６に導入され、第２室２７へ至る希釈用ガスの流れが、アノードガスが導入された場合にアノードガスが直接排気部３２へ流れ込むことを抑制できる。

（３）アノードオフガス導入部３１とカソードオフガス導入部３０とは、アノードオフガスの導入方向とカソードオフガスの導入方向とが同じ方向になるように配置され、仕切り板２８は、アノードオフガス導入部３１側と反対側に傾く状態で配置され、隙間２９は仕切り板２８のうちアノードオフガス導入部３１から最も遠い位置に形成されている。したがって、アノードオフガス導入部３１から第２室２７に導入されたアノードオフガスが第２室２７内で膨張、拡散して水素濃度が相対的に低くなった状態で隙間２９に到達し易くなる。また、カソードオフガス導入部３０から第１室２６に導入されたカソードオフガスが仕切り板２８に沿って拡がりながら隙間２９の部分に到達した後、第２室２７内のガスと混合しつつ排気部３２から排出され易くなる。

（４）実施例１では、排ガス処理装置１６は、カソードオフガス導入部３０から第１室２６に導入されたカソードオフガスが隙間２９に向かう流れとなり、かつ隙間２９における流れがアノードパージ以外のときに隙間２９全体に流れるように設けられている。したがって、アノードオフガスは、隙間２９付近で進入、退出を繰り返す状態のカソードオフガスの作用により順次第２室２７から第１室２６へ移動するとともに、排気部３２を経て排気され、従来技術に比較して簡単な構成で、排気部３２から大気中に排出される排気ガス中の水素濃度を基準値以下にすることができる。

（５）カソードオフガス導入部３０は、第１室２６へ導入されるカソードオフガスの流れが仕切り板２８に当たって仕切り板２８の幅方向に拡がるように設けられている。したがって、第２室２７に導入されたアノードオフガスがカソードオフガスの作用により効率良く第１室２６へと移動して排気部３２から排出される。また、カソードオフガスが仕切り板２８に当ることで流速が落ちるため、第２室２７へ流れ込んだカソードオフガスが第２室２７内で渦を作らない。したがって、第２室においてアノードオフガスが渦に乗って拡散されずに隙間２９へ近づくことが抑制される。

（６）隙間２９は希釈容器２５の壁面と仕切り板２８の先端との間に形成されている。したがって、仕切り板２８の配置角度や長さを変更することにより簡単に隙間２９を適正な値に設定することができる。

（７）希釈容器２５は四角箱状に形成されている。したがって、仕切り板２８で希釈容器２５を第１室２６及び第２室２７に区画するとともに、仕切り板２８の先端と希釈容器２５の壁面との間に隙間２９を、隙間２９における気流がアノードパージ以外のときに隙間２９全体に流れるように形成するのが容易になる。

（８）アノードオフガスがアノードオフガス導入部３１から第２室２７に導入されるとアノードオフガス中に存在する水分が分離され、分離された水分が希釈容器２５の底部に溜まる。同様に、カソードオフガス導入部３０から第１室２６に導入されたカソードオフガス中の水分（液滴）も分離され、分離された水分が希釈容器２５の底部に溜まる。希釈容器２５を縦置きに配置した場合は、希釈容器２５の底部に溜まった水が隙間２９を塞いだりすることはない。また、水の除去も容易に行うことが可能になる。

（９）仕切り板２８は、希釈容器２５を第１室２６と第２室２７とに区画する役割と、カソードオフガス導入部３０から第１室２６に導入されたカソードオフガス（希釈用ガス）を隙間２９に導く役割（導流機能）とを果たす。したがって、仕切り部と希釈用ガス導流部が別々に設けられる場合に比較して構成が簡単になる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 排ガス処理装置１６は、前記実施形態のようにカソードオフガス導入部３０、アノードオフガス導入部３１及び排気部３２が上側になるように希釈容器２５を縦置きに配置した状態で使用される構成に限らない。例えば、図６（ａ）に示すように、カソードオフガス導入部３０、アノードオフガス導入部３１及び排気部３２が水平に延び、かつ仕切り板２８の先端が下降傾斜する状態で希釈容器２５を横置きに配置したり、図６（ｂ）に示すように、仕切り板２８の先端が上昇傾斜する状態で希釈容器２５を横置きに配置したりしてもよい。希釈容器２５を横置きに配置して使用する場合、図６（ａ）に示すように、アノードオフガス導入部３１が上側となる配置に比較して、図６（ｂ）に示すようにアノードオフガス導入部３１が下側となる配置の方が好ましい。なぜならば、図６（ａ）に示すようにアノードオフガス導入部３１が上側に位置する配置では、水素の比重が軽いため、水素が第２室２７における隙間２９から遠い位置に滞留し易くなるからである。なお、横置きの場合も便宜上カソードオフガス導入部３０、アノードオフガス導入部３１等が設けられている壁を天板２５ａとして記載する。

○ 排ガス処理装置１６は、仕切り板２８の先端が水平に延びる状態、即ち希釈容器２５を縦置き（上記実施例）あるいは横置き（図６（ａ），（ｂ））に配置して使用する代わりに、仕切り板２８の先端が鉛直に延びる状態に配置して使用してもよい。

○ カソードオフガス導入部３０、アノードオフガス導入部３１及び排気部３２は、天板２５ａ上に天板２５ａの幅方向に一列に配置される状態に限らず、例えば、図７（ａ）に示すように千鳥状に配置されてもよい。また、図７（ｂ）に示すように、天板２５ａの対角線上に一列に配置されてもよい。

○ カソードオフガス導入部３０から第１室２６に導入されたカソードオフガスを隙間２９の全幅にわたって拡がり易くするため、図８（ａ）に示すように導流部を兼ねる仕切り板２８に、仕切り板２８の基端側から先端側に向かってその間隔が次第に拡がるように複数のリブ（凸条）３４を設けてもよい。

○ アノードオフガス導入部３１を天板２５ａではなく、例えば、図８（ｂ）に示すように、側壁を貫通する状態で設けるとともにＬ字状のパイプで構成してもよい。この場合も、アノードオフガスはほぼ同様にして第２室２７内で膨張、拡散される。また、前壁あるいは後壁（天板２５ａ及び底壁２５ｃ以外で壁面２５ｂと垂直な壁）を貫通する状態で設けてもよい。

○ カソードオフガス導入部３０及び排気部３２も天板２５ａに取り付ける構成に代えて、前壁あるいは後壁を貫通する状態に設けるとともにＬ字状のパイプで構成してもよい。

○ 希釈容器２５の縦、横、奥行きの寸法、仕切り板２８の角度θ、カソードオフガス導入部３０、アノードオフガス導入部３１及び排気部３２の内径、隙間２９の大きさは、実施例で用いた排ガス処理装置１６の寸法に限らず適宜変更してもよい。例えば、希釈容器２５を実施例より縦長にしたり、実施例より横の寸法を大きくしたり、希釈容器２５の寸法は変えずに仕切り板２８の角度θ及び天板２５ａから隙間２９までの距離ｈを変更したりしてもよい。また、カソードオフガス導入部３０及びアノードオフガス導入部３１の内径を実施例の場合より大きくしたりあるいは小さくしたりしてもよく、隙間２９の大きさを実施例の場合より大きくしたりあるいは小さくしたりしてもよい。

○ 希釈容器２５の形状は断面矩形状の四角箱状に限らない。例えば、断面を台形状にしてもよい。また、四角箱状ではなく、断面円形や楕円形にしてもよい。また、仕切り板２８も平板に限らず、曲板や途中に屈曲部を有する形状にしてもよい。希釈容器２５や仕切り板２８の形状あるいは前記各部の寸法を変更する場合、タフト法による試験など、事前に隙間２９付近に進入、退出を繰り返す状態の流れが存在するように、寸法等を設定すれば隙間２９全体に流れる流れが実現でき、排気部３２から大気中に排出される排気ガス中の水素濃度のピークを下げることができる。

○ 仕切り板２８の先端側に設けられる隙間２９は、仕切り板２８と壁面２５ｂとの間で構成する代わりに、壁面２５ｂ側に仕切り板２８の先端と平行に延びる突条やブラケット等を設けて、それらと仕切り板２８の先端との間で構成してもよい。

○ アノードオフガス導入部３１を単なるパイプで構成する代わりに、図９に示すように、膨張室３５及びオリフィス３６を備えた構成としてもよい。この場合、パージガス用配管２２に排出されたアノードパージガスは、膨張室３５及びオリフィス３６が存在しない場合より低圧で第２室２７に導入されるため、第２室２７内に導入されたアノードオフガスは、拡散が不十分な状態で隙間２９付近に近づき難くなる。

○ 図１０（ａ）に示すように、アノードオフガス導入部３１を構成する管が真っ直ぐに第２室２７内まで延びるように構成してもよい。また、図１０（ｂ）に示すように、アノードオフガス導入部３１を構成する管に、管の内径より小さな孔３１ａを複数形成してもよい。

○ カソードオフガス導入部３０の形状は断面円形に限らず、スリット状にしてもよい。例えば、図１１に示すように、カソードオフガス導入部３０を構成する断面円形のパイプの先端に希釈容器２５の奥行き方向に延びる偏平な連結部を備えたパイプを使用する。この場合、カソードオフガス導入部３０から第１室２６内に導入されたカソードオフガスが隙間２９全体に流れる状況になり易い。

○ 希釈容器２５の壁面２５ｂと仕切り板２８の端部との間に設けられる隙間２９は、仕切り板２８の全幅にわたってスリット状に延びるものに限らない。例えば、図１２（ａ）に示すように、隙間２９を複数の孔２８ａで構成してもよい。また、図１２（ｂ）に示すように、仕切り板２８の全幅より短いスリット状の隙間２９を設けてもよい。

○ 図１３（ａ）に示すように、希釈容器２５の壁面２５ｂと仕切り板２８の端部との間に設けられた隙間２９より第２室２７側に、邪魔板３７を設けてもよい。邪魔板３７は例えば、壁面２５ｂに垂直に設けられる。

○ 図１３（ｂ）に示すように、希釈容器２５内に仕切部３８をアノードオフガスの導入方向及び希釈用ガス（カソードオフガス）の導入方向と同じ方向に延びるように配置し、仕切部３８に対してカソードオフガス導入部３０を排気部３２より離れた位置に配置する。そして、仕切部３８に対してカソードオフガス導入部３０側の壁面２５ｂに導流部３９を設けてもよい。導流部３９はカソードオフガスの流れがカソードオフガス導入部３０から仕切部３８の先端側に向かって流れる様に傾斜させて設ける。この場合、カソードオフガス導入部３０から第１室２６に導入されたカソードオフガスは、導流部３９に当たって隙間２９へと導かれるように流れる。

○ パージ用開閉弁２３の開放間隔を予め設定せずに、制御装置２４が燃料電池１２の発電状態を判断して、発電効率が悪くなった時にパージ用開閉弁２３を開放するようにしてもよい。

○ 燃料電池システム１１は、燃料電池１２で使用されなかった水素を水素供給経路としての管路１７に戻すことが可能な水素循環経路を備えている構成としてもよい。例えば、パージガス用配管２２のパージ用開閉弁２３より上流と、管路１７とを接続する水素循環経路を設け、水素循環経路に水素循環ポンプを設ける。燃料電池１２では、水素を１００％反応させることができないが、未反応の水素を再循環利用することにより、水素の利用率を高めることができる。

○ 燃料電池システム１１は必ずしも、車両等の移動体に限らず、電源を必要とする電気製品に装備したり、定置式の燃料電池システムに適用したりしてもよい。
○ 燃料電池システム１１の水素源は、高圧に圧縮された水素ガスが単に充填された水素タンク１３に限らず、例えば、水素吸蔵合金を内蔵した水素タンクや水素化物から化学反応により水素を発生させて取り出すもの等であってもよい。また、水素源としてメタノール、天然ガスやガソリン等の燃料を改質器で改質した改質ガスを使用する構成としてもよい。

○ 排気部３２はマフラーに接続しなくてもよい。
○ 上記実施形態ではアノードオフガスをカソードオフガスで希釈するがカソードオフガスに替えて、希釈用ガスとしてコンプレッサ１４から送られる空気を直接用いてもよい。

○ 希釈容器２５を、３つ以上の複数の室に区画してもよい。この場合複数の室は連通部に連通され、複数の室の少なくとも１つにアノードオフガス導入部３１が接続され、アノードオフガス導入部が接続された室と別の室に排気部３２が接続され、排気部３２が接続された室又は排気部３２が接続された室とアノードオフガス導入部３１が接続された室との間の室に、カソードオフガス導入部３０が接続されていればよい。このように構成することで、アノードオフガスが導入されていないときに、希釈用ガスであるカソードオフガスが、アノードオフガス導入部３１が接続された室へ流れる流れが生じる。したがって、拡散する前のアノードオフガスが排気部３２へ急激に流れ込むのを抑制するので、排気部３２から大気中に排出される排気ガス中の水素濃度のピークを下げることができる。

○ 本発明においてアノードオフガスが間欠的に導入される例として、パージ用開閉弁２３の開閉を挙げたが、これに限らない。例えばパージ用開閉弁２３を、開度を調整可能な弁とし、連続的に開閉させても良いし、完全に閉とせず排気ガスの濃度が許容される程度に僅かに開いている状態を含んでも良い。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）前記希釈容器は四角箱状に形成されている。

（２）燃料電池のアノードオフガスを希釈容器に間欠的に導入するとともにカソードオフガスで希釈して排出する燃料電池の排ガス処理方法であって、前記希釈容器として、排気部及びカソードオフガス導入部が設けられた第１室と、アノードオフガス導入部が設けられた第２室とに仕切り板により区画されるとともに、前記仕切り板の先端側に前記第１室と前記第２室とを連通させる隙間が設けられた希釈容器を用い、カソードオフガスの流れが前記隙間の近傍において、一部は前記排気部に向かう流れとなり、一部は隙間付近で前記第２室への進入、退出を繰り返す状態の流れとなるように、前記仕切り板の基端側に設けられたカソードオフガス導入部から前記第１室にカソードオフガスを導入し、前記アノードオフガス導入部からは前記第２室に導入されたアノードオフガスが前記隙間から離れる方向に向かうように導入し、前記第２室内で膨張、拡散した後のアノードオフガスを前記第２室への進入、退出を繰り返す状態の流れとなるカソードオフガスにより第２室から第１室へ移動させるとともに排気部から排気する燃料電池の排ガス処理方法。

燃料電池システムの構成図。 （ａ）は一実施形態の排ガス処理装置の模式斜視図、（ｂ）は排ガス処理装置の断面図。 （ａ）は排ガス処理装置の作用を示す模式断面図、（ｂ），（ｃ）は隙間付近におけるカソードオフガスの流れの状態をタフト法により確認した場合の糸の状態を示す模式図。 実施例２の排ガス処理装置の側断面図。 経過時間と排ガス中の水素濃度の関係を示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は排ガス処理装置の配置状態を変えたそれぞれ別の実施形態の側断面図。 （ａ），（ｂ）はカソードオフガス導入部、アノードオフガス導入部及び排気部の配置を変更した別の実施形態を示す模式斜視図。 （ａ）は仕切り板の別の実施形態を示す模式斜視図、（ｂ）はアノードオフガス導入部の別の実施形態を示す模式断面図。 別の実施形態における排ガス処理装置の模式図。 （ａ），（ｂ）はアノードオフガス導入部を変えたそれぞれ別の実施形態の側断面図。 カソードオフガス導入部の形状を変えた別の実施形態の模式斜視図。 （ａ），（ｂ）は仕切り板に形成された隙間を変えたそれぞれ別の実施形態の部分概略斜視図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ別の実施形態における排ガス処理装置の側断面図。 従来技術の排ガス処理装置の模式斜視図。 別の従来技術の排ガス処理装置の側断面図。

符号の説明

１２…燃料電池、１６…排ガス処理装置、２５…希釈容器、２５ｂ…壁面、２６…第１室、２７…第２室、２８…仕切り板、２９…隙間、３０…カソードオフガス導入部、３１…アノードオフガス導入部、３２…排気部、３８…仕切部。

Claims (3)

1. 燃料電池のアノードオフガスが間欠的に導入されるとともに希釈用ガスで希釈して排出する燃料電池の排ガス処理装置であって、
   希釈容器を有し、
   前記希釈容器は、第１室と第２室とに仕切り板により区画されるとともに、前記仕切り板に前記第１室と前記第２室とを連通させる隙間が設けられ、前記第１室には排気部及び希釈用ガス導入部が設けられ、前記第２室にはアノードオフガス導入部が設けられており、
   前記希釈用ガス導入部は、前記第１室に導入された希釈用ガスが前記隙間に向かう流れとなり、かつ前記隙間における流れがアノードオフガスが導入されていないときに隙間全体に流れるように、前記第１室へ導入される希釈用ガスの流れが前記仕切り板に当たって希釈用ガスの導入方向と垂直且つ前記仕切り板に平行な方向に拡がるように設けられている燃料電池の排ガス処理装置。
2. 燃料電池のアノードオフガスが間欠的に導入されるとともに希釈用ガスで希釈して排出する燃料電池の排ガス処理装置であって、
   希釈容器を有し、
   前記希釈容器は、第１室と第２室とに仕切り板により区画されるとともに、前記仕切り板に前記第１室と前記第２室とを連通させる隙間が設けられ、前記第１室には排気部及び希釈用ガス導入部が設けられ、前記第２室にはアノードオフガス導入部が設けられており、
   前記アノードオフガス導入部と前記希釈用ガス導入部とは、前記アノードオフガスの導入方向と前記希釈用ガスの導入方向とが同じ方向になるように配置され、
   前記仕切り板は、前記アノードオフガス導入部側と反対側に傾く状態で配置され、
   前記隙間は前記仕切り板のうち前記アノードオフガス導入部から最も遠い位置に形成されている燃料電池の排ガス処理装置。
3. 前記隙間は前記希釈容器の壁面と前記仕切り板の端部との間に形成されている請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の排ガス処理装置。

Images