JP7059660B2 - Exhaust flow path forming body for fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用の排気流路形成体に関する。 The present invention relates to an exhaust flow path forming body for a fuel cell.
燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしての空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。燃料電池からは、燃料オフガスと、酸化オフガスとが排出される。燃料オフガスには、電気化学反応によって生成される水や、燃料電池における発電に寄与せずに排出される水素ガスが含まれる。燃料オフガスを大気中に排出する場合には、水素ガス濃度を低減させることが求められている。そこで、酸化オフガスと燃料オフガスとを混合して撹拌することによって、排出ガス中の水素ガス濃度を低減することがある。例えば、特許文献1には、燃料電池から排出された燃料オフガスを酸化オフガスに混合させて希釈させる希釈部を備える燃料電池システムが開示されている。かかる希釈部では、燃料オフガス配管が、酸化オフガス排出流路の上流側に向かうように酸化オフガス配管に接続されているため、燃料オフガスを酸化オフガスに円滑に混合させることができ、燃料オフガスを良好に希釈できる。 A fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen gas as a fuel gas and oxygen contained in air as an oxidant gas is known. Fuel off gas and oxidation off gas are discharged from the fuel cell. Fuel off-gas includes water produced by electrochemical reactions and hydrogen gas emitted without contributing to power generation in fuel cells. When the fuel off gas is discharged into the atmosphere, it is required to reduce the hydrogen gas concentration. Therefore, the concentration of hydrogen gas in the exhaust gas may be reduced by mixing and stirring the off-oxidation gas and the off-fuel gas. For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell system including a diluting unit that mixes and dilutes the fuel off gas discharged from the fuel cell with the oxidation off gas. In such a diluted portion, the fuel off-gas pipe is connected to the oxide-off gas pipe so as to face the upstream side of the oxidation-off gas discharge flow path, so that the fuel-off gas can be smoothly mixed with the oxide-off gas, and the fuel-off gas is good. Can be diluted to.
特許文献1に記載の燃料電池システムでは、燃料オフガス配管の径が酸化オフガス配管の径に比べて非常に小さい。燃料オフガス配管の径が小さいと、氷点下といった低温環境下において、燃料オフガスに含まれる水によって燃料オフガス配管が凍結してしまうおそれがある。他方、燃料オフガス配管の径が大きいと、燃料オフガス配管の径と酸化オフガス配管の径との差が小さくなり、燃料オフガスを酸化オフガスに混合させる際の燃料オフガスの流速が小さくなってしまい、燃料オフガスと酸化オフガスとを十分に撹拌させることができないという問題を本願発明者は見出した。燃料オフガスと酸化オフガスとを十分に撹拌できないと、排出ガス中の水素ガス濃度を所望の濃度まで低減できないおそれがある。そこで、燃料オフガスと酸化オフガスとを混合して排出する際における両オフガスの撹拌性の低下を抑制可能な技術が望まれている。 In the fuel cell system described in Patent Document 1, the diameter of the fuel off-gas pipe is much smaller than the diameter of the oxidation-off gas pipe. If the diameter of the fuel off-gas pipe is small, the fuel-off gas pipe may be frozen by the water contained in the fuel-off gas in a low temperature environment such as below freezing point. On the other hand, if the diameter of the fuel off-gas pipe is large, the difference between the diameter of the fuel off-gas pipe and the diameter of the oxide-off gas pipe becomes small, and the flow velocity of the fuel-off gas when mixing the fuel-off gas with the oxide-off gas becomes small, so that the fuel The inventor of the present application has found that the off-gas and the oxidized off-gas cannot be sufficiently stirred. If the fuel off gas and the oxidation off gas cannot be sufficiently agitated, the hydrogen gas concentration in the exhaust gas may not be reduced to a desired concentration. Therefore, there is a demand for a technique capable of suppressing a decrease in the agitation property of both off-gas when the fuel off-gas and the oxidation-off gas are mixed and discharged.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
[形態1]燃料電池用の排気流路形成体であって、燃料電池から排出される酸化オフガスの流路を形成する酸化オフガス配管と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスに含まれる燃料ガスと水とを分離する気液分離器と、前記酸化オフガス配管と、を接続する接続配管と、を備え、前記酸化オフガス配管は、直管部と、該直管部における前記酸化オフガスの排出方向の下流側の端部に連なり、90度以上95度以下のR形状を有するR部と、を有し、前記接続配管は、前記R部よりも前記排出方向の上流側の前記直管部に接続する接続部を有し、前記直管部の軸線と前記接続部の軸線とがなす角度は、75度以上105度以下であり、前記接続部は、前記直管部における前記排出方向の下流側の端部であって、前記R部における前記排出方向の上流側の端部に接続されている、燃料電池用の排気流路形成体。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.
[Form 1] An exhaust flow path forming body for a fuel cell, which is an oxide off gas pipe forming a flow path for an oxide off gas discharged from the fuel cell, and a fuel gas contained in the fuel off gas discharged from the fuel cell. A gas-liquid separator that separates water from the fuel and a connection pipe that connects the oxide off gas pipe are provided, and the oxide off gas pipe has a straight pipe portion and a discharge direction of the oxide off gas in the straight pipe portion. It has an R portion having an R shape of 90 degrees or more and 95 degrees or less, which is connected to the end portion on the downstream side of the fuel, and the connection pipe is attached to the straight pipe portion on the upstream side in the discharge direction from the R portion. It has a connecting portion to be connected, and the angle formed by the axis of the straight pipe portion and the axis of the connecting portion is 75 degrees or more and 105 degrees or less, and the connecting portion is downstream of the discharge direction in the straight pipe portion. An exhaust flow path forming body for a fuel cell, which is an end portion on the side and is connected to an end portion on the upstream side in the discharge direction in the R portion.
(1)本発明の一実施形態によれば、燃料電池用の排気流路形成体が提供される。この排気流路形成体は;燃料電池から排出される酸化オフガスの流路を形成する酸化オフガス配管と;前記燃料電池から排出された燃料オフガスに含まれる燃料ガスと水とを分離する気液分離器と、前記酸化オフガス配管と、を接続する接続配管と;を備え;前記酸化オフガス配管は、直管部と、該直管部における前記酸化オフガスの排出方向の下流側の端部に連なり、90度以上95度以下のR形状を有するR部と、を有し;前記接続配管は、前記R部よりも前記排出方向の上流側の前記直管部に接続する接続部を有し;前記直管部の軸線と前記接続部の軸線とがなす角度は、75度以上105度以下である。 (1) According to one embodiment of the present invention, an exhaust flow path forming body for a fuel cell is provided. The exhaust flow path forming body is; an oxide off gas pipe forming a flow path of the oxide off gas discharged from the fuel cell; and a gas-liquid separation for separating the fuel gas and water contained in the fuel off gas discharged from the fuel cell. A vessel and a connecting pipe connecting the oxide off gas pipe; the oxide off gas pipe are connected to a straight pipe portion and a downstream end portion of the straight pipe portion in the discharge direction of the oxide off gas. It has an R portion having an R shape of 90 degrees or more and 95 degrees or less; the connection pipe has a connection portion connected to the straight pipe portion on the upstream side of the discharge direction from the R portion; The angle formed by the axis of the straight pipe portion and the axis of the connecting portion is 75 degrees or more and 105 degrees or less.
この形態の燃料電池用の排気流路形成体によれば、R部が90度以上95度以下のR形状を有するので、燃料オフガスと酸化オフガスとの乱流を生じさせて、燃料オフガスと酸化オフガスとを混合させることができ、また、接続部がR部よりも排出方向の上流側の直管部に接続するので、燃料オフガスが酸化オフガス配管へ流入する際の燃料オフガスの流入量および流速が低減することを抑制でき、また、直管部の軸線と接続部の軸線とがなす角度が75度以上105度以下であるので、燃料オフガスと酸化オフガスとの混合ガス中の水素ガスの最大濃度を低減できる。したがって、この形態の排気流路形成体によれば、燃料オフガスと酸化オフガスとを混合して排出する際における両オフガスの撹拌性の低下を抑制できる。 According to the exhaust flow path forming body for the fuel cell of this form, since the R portion has an R shape of 90 degrees or more and 95 degrees or less, turbulence between the fuel off gas and the oxidation off gas is generated to cause the fuel off gas and the oxidation. Since the off gas can be mixed and the connection part is connected to the straight pipe part on the upstream side in the discharge direction from the R part, the inflow amount and the flow velocity of the fuel off gas when the fuel off gas flows into the oxidation off gas pipe. Since the angle between the axis of the straight pipe and the axis of the connection is 75 degrees or more and 105 degrees or less, the maximum amount of hydrogen gas in the mixed gas of the fuel off gas and the oxide off gas can be suppressed. The concentration can be reduced. Therefore, according to this form of the exhaust flow path forming body, it is possible to suppress a decrease in the agitation property of both off-gas when the fuel off-gas and the oxidation-off gas are mixed and discharged.
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、排気流路形成体を備える燃料電池、かかる燃料電池を備える燃料電池システム等の形態で実現できる。 The present invention can also be realized in various forms. For example, it can be realized in the form of a fuel cell including an exhaust flow path forming body, a fuel cell system including such a fuel cell, or the like.
A.実施形態:
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の一実施形態における燃料電池用の排気流路形成体200が搭載される燃料電池システム100の構成を示す概略図である。燃料電池システム100は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム100は、燃料電池10と、制御部20と、酸化剤ガス供給排出部30と、燃料ガス供給排出部50とを備える。燃料電池システム100は、さらに、DC/DCコンバータ90と、パワーコントロールユニット(以下、「PCU」と呼ぶ)91と、2次電池92とを備える。
A. Embodiment:
A1. Fuel cell system configuration:
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a
燃料電池10は、反応ガスとして水素ガスおよび空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池10は、複数のセル11が積層されたスタック構造を有する。図示は省略するが、各セル11は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層および一対のセパレータとを有する。燃料電池10によって発電された電力は、DC/DCコンバータ90およびPCU91を介して2次電池92または負荷93に供給される。
The
2次電池92は、PCU91に接続されている。PCU91は、2次電池92に接続された図示しない双方向DC/DCコンバータを含んでいる。燃料電池10および2次電池92の電力は、PCU91を含む電源回路を介して、図示しないトラクションモータ等の負荷93や、後述のエアコンプレッサ32、循環ポンプ64、各種弁に、供給される。
The
酸化剤ガス供給排出部30は、酸化剤としての空気を外気から取り入れて燃料電池10に供給すると共に、酸化オフガスを燃料電池10から外部へと排出する。酸化剤ガス供給排出部30は、酸化剤ガス配管31と、エアコンプレッサ32と、第1開閉弁33と、酸化オフガス配管41と、第1調圧弁42と、を備える。
The oxidant gas supply /
酸化剤ガス配管31は、燃料電池10の内部に形成された酸化剤ガス供給マニホールドと連通する。エアコンプレッサ32は、酸化剤ガス配管31に接続されている。エアコンプレッサ32は、制御部20からの制御信号に応じて、外気から取り入れた空気を圧縮して酸素を燃料電池10に供給する。第1開閉弁33は、エアコンプレッサ32と燃料電池10との間に配置されており、エアコンプレッサ32から燃料電池10への空気の供給の実行および停止を行う。酸化オフガス配管41は、燃料電池10の内部に形成された酸化オフガス排出マニホールドと連通する。酸化オフガス配管41は、各セル11から排出される酸化オフガスを燃料電池システム100の外部へと排出する。第1調圧弁42は、制御部20からの制御信号に応じて、酸化オフガス配管41におけるカソード側オフガスの圧力を調整する。
The
燃料ガス供給排出部50は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池10に供給すると共に、燃料オフガスを燃料電池10から外部へと排出する。燃料ガス供給排出部50は、燃料ガス配管51と、水素ガスタンク52と、第2開閉弁53と、第2調圧弁54と、インジェクタ55と、燃料オフガス配管61と、気液分離器70と、循環配管63と、循環ポンプ64と、排気排水弁60と、接続配管66と、排気排水管45とを備える。
The fuel gas supply /
燃料ガス配管51は、燃料電池10の内部に形成された燃料ガス供給マニホールドと連通する。水素ガスタンク52は、燃料ガス配管51に接続されており、内部に充填されている水素ガスを燃料電池10に供給する。第2開閉弁53と、第2調圧弁54と、インジェクタ55とは、この順序で水素ガスタンク52から燃料電池10に向かって燃料ガス配管51に配置されている。第2開閉弁53は、制御部20からの制御信号に応じて開閉し、水素ガスタンク52からインジェクタ55への水素ガスの流入量を制御する。第2調圧弁54は、制御部20からの制御信号に応じて、インジェクタ55に供給する水素ガスの圧力を所定の圧力に調整する。インジェクタ55は、制御部20からの制御信号に応じて、制御部20が設定した駆動周期および開閉時間に応じて弁を開閉することにより、水素ガスを燃料電池10に供給すると共にその供給量を調整する。
The
燃料オフガス配管61は、燃料電池10の内部に形成された燃料オフガス排出マニホールドと気液分離器70とを接続する。燃料オフガス配管61は、燃料電池10から燃料オフガスを排出するための流路であり、発電反応に用いられなかった水素ガスや窒素ガスなどを含む燃料オフガスを気液分離器70へと誘導する。
The fuel off-
気液分離器70は、燃料オフガス配管61と循環配管63との間に接続されている。気液分離器70は、燃料オフガス配管61内の燃料オフガスに含まれる水素ガスを含むガスと水とを分離し、水素ガスを含むガスを循環配管63へ流入させ、水を貯水する。
The gas-
循環配管63は、インジェクタ55よりも下流側において燃料ガス配管51と接続している。循環配管63には、制御部20からの制御信号に応じて駆動される循環ポンプ64が配置されている。循環ポンプ64は、気液分離器70において分離されたガス(水素ガスを含むガス)を燃料ガス配管51に送り出す。本実施形態の燃料電池システム100では、燃料オフガスに含まれる水素ガスを含むガスを循環させて、再び燃料電池10に供給することにより、水素ガスの利用効率を向上させている。
The
排気排水弁60は、気液分離器70の下部に設けられた開閉弁である。排気排水弁60は、制御部20からの制御信号に応じて開閉し、気液分離器70により分離された水および一部の燃料オフガスを接続配管66へ排出する。
The
接続配管66は、排気排水弁60の下部と、酸化オフガス配管41とを接続する。接続配管66は、酸化オフガス配管41と連通する。接続配管66は、排気排水弁60から排出された水および燃料オフガスを酸化オフガス配管41へ排出する。接続配管66を介して酸化オフガス配管41に流入した燃料オフガスは、酸化オフガス配管41内を流れる酸化オフガスの勢いによって、排気排水管45を介して燃料電池システム100の外部(大気)へ排出される。このとき、酸化オフガス配管41に流入する燃料オフガスは、酸化オフガスと混合されて撹拌されることによって、水素ガス濃度が低減されて外部へと排出される。
The
本実施形態において、接続配管66と、酸化オフガス配管41とは、排気流路形成体200を形成する。接続配管66は、酸化オフガス配管41と接続する接続部80を有する。接続部80は、排気流路形成体200における燃料オフガスと酸化オフガスとの撹拌性の低下を抑制するために、酸化オフガス配管41(より正確には後述の直管部41a)の軸線と接続部80の軸線とのなす角度が所定の角度となるように、酸化オフガス配管41と接続配管66とを接続している。なお、接続部80および排気流路形成体200についての詳細な説明は、後述する。
In the present embodiment, the
排気排水管45は、酸化オフガス配管41における接続部80よりも下流側において、酸化オフガス配管41に接続している。排気排水管45は、外部(大気)と連通しており、排気流路形成体において水素ガス濃度が低減された燃料オフガスと、酸化オフガスと、気液分離器70から排出された水とは、排気排水管45を通って燃料電池システム100の外部(大気)へ排出される。
The exhaust /
制御部20は、CPUと、メモリと、上述した各部品が接続されるインターフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部20のCPUは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム100の運転制御、例えば、水素ガス供給制御や電力供給制御を行うための各種機能部として機能する。
The
A2.排気流路形成体200の構成:
図2は、本実施形態における排気流路形成体200の概略構成を示す説明図である。図2に示すように、排気流路形成体200は、酸化オフガス配管41と、接続配管66とを備える。図2では、排気流路形成体200に加えて、排気排水管45を示している。
A2. Configuration of exhaust flow path forming body 200:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the exhaust flow
燃料電池10から排出された酸化オフガスは、実線矢印で示す酸化オフガスの排出方向D1の下流側に向かうように流れ、排気排水管45へと流入する。他方、図示しない気液分離器70から排出された燃料オフガスおよび水は、接続配管66内において破線矢印で示す燃料オフガスの排出方向D2の下流側に向かうように流れ、接続部80を通って酸化オフガス配管41へと流入する。酸化オフガス配管41の上流側から流入した酸化オフガスと、酸化オフガス配管41へ流入した燃料オフガスとは、互いに混合されて、排気排水管45へと流入する。
The off-oxidation gas discharged from the
図2に示すように、酸化オフガス配管41は、直管部41aおよび41cと、R部41bとを有する。直管部41aおよび41cとR部41bとは、一体に形成されている。直管部41aは、酸化オフガスの排出方向D1の上流側の部分に連なり、直管に形成されている。R部41bは、直管部41aの酸化オフガスの排出方向D1の下流側の端部に連なっている。R部41bは、酸化オフガスの排出方向D1の下流側において90度以上95度以下のR形状を有する。直管部41cは、R部41bの酸化オフガスの排出方向D1の下流側の端部に連なり、直管に形成されている。直管部41cは、酸化オフガスの排出方向D1の下流側において排気排水管45に連なっている。
As shown in FIG. 2, the oxidation off-
接続部80は、酸化オフガス配管41の直管部41aに接続している。すなわち、接続部80は、R部41bよりも酸化オフガスの排出方向D1の上流側において酸化オフガス配管41に接続している。
The
図3は、接続部80近傍を拡大して示す拡大図である。図3に示すように、酸化オフガス配管41および接続配管66は、筒状の外観形状を有する。図3において、酸化オフガス配管41における直管部41aの軸線CX1を一点鎖線で示し、接続部80の軸線CX2を二点鎖線で示している。なお、軸線Xは、水平面と平行な直線である。
FIG. 3 is an enlarged view showing the vicinity of the
図3に示すように、接続部80は、R部41bよりも酸化オフガスの排出方向D1の上流側の直管部41aに接続している。本実施形態では、接続部80は、直管部41aにおける酸化オフガスの排出方向D1の下流側の端部E1であって、R部41bにおける酸化オフガスの排出方向D1の上流側の端部E1に接続している。より正確には、接続部80は、R部41bの端部E1よりも上流側において直管部41aに接続している。また、軸線Xと接続部80の軸線CX2とがなす角度θ1は、5度以上である。角度θ1を5度以上にすることによって、気液分離器70によって分離された水の排出に重力を十分に利用でき、気液分離器70から排出される水を酸化オフガス配管41へ流入させる際の排水性の低下を抑制できる。また、直管部41aの軸線CX1と接続部80の軸線CX2とのなす角度θ2は、90度である。
As shown in FIG. 3, the connecting
本願発明の発明者は、研究の結果、酸化オフガス配管41内において燃料オフガスと酸化オフガスとを撹拌させる際の両オフガスの撹拌性の低下を抑制するために、排気流路形成体200の構成が以下の(1)~(3)を満たすことが好ましいことを見出した。
(1)接続部80が直管部41aに接続していること。
(2)R部41bが90度以上95度以下のR形状を有すること。
(3)直管部41aの軸線CX1と接続部80の軸線CX2とのなす角度θ2が75度以上105度以下であること。
以下、各(1)~(3)について、詳細に説明する。
As a result of research, the inventor of the present invention has configured the exhaust flow
(1) The connecting
(2) The
(3) The angle θ2 formed by the axis CX1 of the
Hereinafter, each (1) to (3) will be described in detail.
一般に、流体の流速は、曲管部に比べて、直管部において大きい。したがって、酸化オフガス配管41では、R部41bに比べて、直管部41aにおいて流速が大きい。また、一般に、流体の流速が増加すると、圧力は低下する。したがって、上記(1)を満たすことによって、接続部80がR部41bに接続する構成に比べて、圧力低下により、燃料オフガスが酸化オフガス配管41へ流入する際の燃料オフガスの流入量を多くすることができる。また、上述のように、直管部41aにおいて流速が大きいので、酸化オフガス配管41内に流入した燃料オフガスの流速を速くすることができる。また一般に、流体の流速が増加すると、流線が乱れて乱流が生じやすい。直管部41aでは、酸化オフガスおよび燃料オフガスの流速が比較的大きな状態なので、酸化オフガスと燃料オフガスとの混合ガス中に乱流が生じる。このため、酸化オフガスと燃料オフガスとが混合され易くなり、両オフガスの撹拌が促進される。
Generally, the flow velocity of the fluid is larger in the straight pipe portion than in the curved pipe portion. Therefore, in the oxidation off-
R部41bでは、直管部41aに比べて、両オフガスの流速が遅くなる。しかし、R部41bが上記(2)を満たすことによって、流線がなだらかなR形状になるため、R部41bにおいても酸化オフガスと燃料オフガスとの混合ガス中に乱流が生じる。このため、直管部41aからR部41bへ誘導される酸化オフガスおよび燃料オフガスは、混合され易くなり、両オフガスの撹拌が促進される。
In the
図2に示すように、R部41bよりも酸化オフガスの排出方向D1の下流側には、直管部41cが連なっている。したがって、R部41bの下流側の直管部41cでは、R部41bに比べて、両オフガスの流速が大きくなる。また、上述のように、流速が増加することによって、圧力が低下し、また、乱流が生じる。このため、直管部41cにおいても、酸化オフガスと燃料オフガスとが混合され易くなり、両オフガスの撹拌が促進される。
As shown in FIG. 2, a
なお、上記(2)において、R部41bのR形状が90度以上95度以下であることが好ましいのは、酸化オフガスと燃料オフガスとの撹拌性の低下を抑制できるという理由のほか、酸化オフガス配管41を成形する際の成形のし易さ、および酸化オフガス配管41の圧力損失を低減することができるという理由からである。
In the above (2), the reason why the R shape of the
図3に示すように、接続部80は、上述の角度θ2が上記(3)を満たすように、直管部41aに接続する。これは、本願発明の発明者が、研究の結果、角度θ2を変更させて排出ガス中の水素ガスの最大濃度(以下、「最大濃度」と呼ぶ)を測定したところ、目標濃度に対して、角度θ2を90度とすることによって、最大濃度を0.025%低減できた。また、本願発明の発明者は、90度よりも小さな角度範囲においては、角度θ2を10度大きくすることによって最大濃度は0.01%低減し、角度θ2を15度小さくすることによって最大濃度は0.017%増加することも見出した。角度θ2が75度のとき、最大濃度は目標濃度に対して0.008%増加した値となり、目標濃度に近い値まで達することができた。角度θ2の上限値についても、75度と90度との関係性から、上限を105度とすることがよいと推定し、上記(3)を導出した。
As shown in FIG. 3, the connecting
以上説明した、本実施形態の排気流路形成体200によれば、(1)接続部80が直管部41aに接続するので、燃料オフガスが酸化オフガス配管41へ流入する際の燃料オフガスの流入量および流速が低減することを抑制でき、(2)R部41bが90度以上95度以下のR形状を有するので、燃料オフガスと酸化オフガスとの乱流を生じさせて、燃料オフガスと酸化オフガスとを混合させることができ、(3)直管部41aの軸線CX1と接続部80の軸線CX2とのなす角度θ2が75度以上105度以下であるので、燃料オフガスと酸化オフガスとの混合ガス中の水素ガスの最大濃度を低減できる。したがって、この形態の排気流路形成体200によれば、燃料オフガスと酸化オフガスとを混合して排出する際における両オフガスの撹拌性の低下を抑制できる。
According to the exhaust flow
図4は、実施形態の排気流路形成体200の効果を示す説明図である。上述した実施形態の排気流路形成体200(試料)をCAE(Computer Aideded Engineering)によってシミュレーションし、酸化オフガス配管41内を流れる酸化オフガスおよび燃料オフガス中の水素濃度をシミュレーションした。図4では、図2に示す排気流路形成体200の断面斜視図を示している。また、図4では、CAEにより算出された水素濃度の分布を、酸化オフガス配管41および排気排水管45内を流れる流体(ガス)の断面上にハッチングを付すことによって模式的に示している。なお、図4に示す各水素濃度は、水素濃度目標値を1としたときの水素濃度目標値に対する水素濃度の割合を示している。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the effect of the exhaust flow
図4に示すように、接続配管66から接続部80を介して酸化オフガス配管41へ流入した燃料オフガスは、慣性のために酸化オフガス配管41の上流側から流れてきた酸化オフガスを径方向において接続部80の反対側に追いやって、酸化オフガス配管41内に流入する。このため、位置P1において、酸化オフガス配管41内のガス中の水素濃度は、燃料オフガスが流入された側(接続部80側)において、高くなっていた。そして、両オフガスが混合されつつ、酸化オフガスの排出方向D1の下流側へと流されると、R部41bにおいて両オフガスの撹拌が促進される。このため、位置P2、P3およびP4では、位置P1における水素濃度が低かった部分(径方向において接続部80から遠い部分)においても水素濃度が高くなっていた。
As shown in FIG. 4, the fuel off gas flowing from the
両オフガスが酸化オフガスの排出方向D1の下流側へとさらに流されると、R部41bの下流側の直管部41cにおいて両オフガスの撹拌が促進される。このため、位置P5、P6およびP7に示すように、酸化オフガスの排出方向D1の下流側に向かうにつれて、両オフガス中の水素濃度が低くなっていた。そして、位置P8、P9およびP10に示すように、排気排水管45では、酸化オフガスの排出方向D1の下流側に向かうにつれて、両オフガス中の水素濃度は、水素濃度目標値とほぼ同じになっていた。
When both off-gas are further flowed to the downstream side of the oxidation off-gas discharge direction D1, agitation of both off-gas is promoted in the
これは、試料として、上記(1)~(3)を満たすことによって、燃料オフガスと酸化オフガスとを混合する際における両オフガスの撹拌性の低下が抑制され、排出ガス中の水素ガス濃度を低減できたためであると推測される。 By satisfying the above (1) to (3) as a sample, deterioration of the agitation property of both off-gas when mixing the fuel off-gas and the oxidation-off gas is suppressed, and the hydrogen gas concentration in the exhaust gas is reduced. It is presumed that it was possible.
B.他の実施形態:
B1.他の実施形態1:
上記実施形態において、接続部80は、直管部41aにおける酸化オフガスの排出方向D1の下流側の端部E1に接続していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、接続部80は、R部41bにおける酸化オフガスの排出方向D1の上流側の端部E1上に接続していてもよい。また、例えば、接続部80は、直管部41aとR部41bとの境界部分を挟むように接続してもよい。また、例えば、接続部80すべてが直管部41a側に接続していてもよい。すなわち、一般には、接続部80は、直管部41aの任意の位置に接続してもよい。かかる構成においても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
B. Other embodiments:
B1. Other Embodiment 1:
In the above embodiment, the
B2.他の実施形態2:
上記実施形態において、直管部41aの軸線CX1と接続部80の軸線CX2とのなす角度θ2は、90度であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、角度θ2は、75度以上105度以下の範囲内の任意の角度であってもよい。このような構成においても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
B2. Other Embodiment 2:
In the above embodiment, the angle θ2 formed by the axis CX1 of the
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be realized with various configurations within a range not deviating from the gist thereof. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the column of the outline of the invention are for solving a part or all of the above-mentioned problems, or one of the above-mentioned effects. It is possible to replace or combine as appropriate to achieve the part or all. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be appropriately deleted.
θ1、θ2…角度
10…燃料電池
11…セル
20…制御部
30…酸化剤ガス供給排出部
31…酸化剤ガス配管
32…エアコンプレッサ
33…第1開閉弁
41…酸化オフガス配管
41a、41c…直管部
41b…R部
42…第1調圧弁
45…排気排水管
50…燃料ガス供給排出部
51…燃料ガス配管
52…水素ガスタンク
53…第2開閉弁
54…第2調圧弁
55…インジェクタ
60…排気排水弁
61…燃料オフガス配管
63…循環配管
64…循環ポンプ
66…接続配管
70…気液分離器
80…接続部
90…DC/DCコンバータ
92…2次電池
93…負荷
100…燃料電池システム
200…排気流路形成体
CX1、CX2、X…軸線
D1…酸化オフガスの排出方向
D2…燃料オフガスの排出方向
E1…端部
P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10…位置
θ1, θ2 ...
Claims (1)
燃料電池から排出される酸化オフガスの流路を形成する酸化オフガス配管と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスに含まれる燃料ガスと水とを分離する気液分離器と、前記酸化オフガス配管と、を接続する接続配管と、
を備え、
前記酸化オフガス配管は、直管部と、該直管部における前記酸化オフガスの排出方向の下流側の端部に連なり、90度以上95度以下のR形状を有するR部と、を有し、
前記接続配管は、前記R部よりも前記排出方向の上流側の前記直管部に接続する接続部を有し、
前記直管部の軸線と前記接続部の軸線とがなす角度は、75度以上105度以下であり、
前記接続部は、前記直管部における前記排出方向の下流側の端部であって、前記R部における前記排出方向の上流側の端部に接続されている、
燃料電池用の排気流路形成体。 An exhaust flow path forming body for a fuel cell
Oxidation-off gas piping that forms a flow path for oxidation-off gas discharged from the fuel cell,
A connection pipe connecting the gas-liquid separator that separates the fuel gas and water contained in the fuel off gas discharged from the fuel cell and the oxidation off gas pipe.
Equipped with
The oxidation-off gas pipe has a straight pipe portion and an R portion which is connected to the downstream end portion of the straight pipe portion in the discharge direction of the oxidation-off gas and has an R shape of 90 degrees or more and 95 degrees or less.
The connection pipe has a connection portion connected to the straight pipe portion on the upstream side in the discharge direction from the R portion.
The angle between the axis of the straight pipe portion and the axis of the connection portion is 75 degrees or more and 105 degrees or less .
The connection portion is an end portion of the straight pipe portion on the downstream side in the discharge direction, and is connected to the end portion of the R portion on the upstream side in the discharge direction.
Exhaust flow path forming body for fuel cells.
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