CN101304097A

CN101304097A - 燃料电池系统

Info

Publication number: CN101304097A
Application number: CNA2008100956791A
Authority: CN
Inventors: 佐佐木孝; 铃木昭博; 鹈饲阳太郎; 大盐清隆; 石井康夫; 沼田英雄
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2028-05-07
Also published as: JP5214906B2; EP1990858A2; EP1990858A3; JP2008282714A; EP1990858B1; DE602008002852D1; US20080280185A1; CN101304097B

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，其具备：燃料电池，其接受阴极气体及阳极气体的供给进行发电；排气处理装置，其将从该燃料电池排出的阴极废气及阳极废气混合稀释；排出气体配管，其中流通从所述排气处理装置排出的排出气体；特定气体浓度传感器，其设于所述排出气体配管中，测定所述排出气体中的特定气体的浓度；流路截面积增大部，其设于所述排气处理装置和所述特定气体浓度传感器之间，具有比所述排出气体配管大的流路截面积。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及搭载于燃料电池车辆等上的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池已知为如下结构，由阳极电极及阴极电极从两侧夹持固体高分子电解质膜形成膜电极构造体，在该膜电极构造体的两侧配置一对隔板，构成平板状的单燃料电池(下面称作“单电池”)，将该单电池层叠多个而构成燃料电池组(下面称作“燃料电池”)。该燃料电池中，向阳极电极和隔板之间供给作为燃料气体的氢气，并且向阴极电极和隔板之间供给作为氧化剂气体的空气。由此，通过催化翻印在阳极电极产生的氢离子透过固提高分子电解质膜并移动到阴极电极，在阴极电极与空气中的氧气引起电化学反应，进行发电。伴随该发电，有水在燃料电池内部产生。

在这样的固体高分子膜型燃料电池等燃料电池中，例如在特开平6-223850号公报中公开的燃料电池保护系统中，在配置于燃料电池的阴极侧的剩余氧化剂排出通路中设置氢气检测器(氢气浓度传感器)，在作为固体高分子电解质燃料电池的电解质的高分子离子交换膜中产生含水量不足的部分时，检测到氢气从阳极侧向阴极侧泄漏。而且，在检测到氢气泄漏时，遮端燃料电池供给燃料。

作为氢气浓度传感器，例如已知有具备由白金等催化剂构成的检测元件和温度补偿元件的气体接触燃烧式的氢气浓度传感器。当检测元件的催化剂与氢气接触并燃烧时，检测元件的温度上升，从而电阻值增加。与之相对，温度补偿元件不会因与氢气接触而发热，从而电阻值也不会增加。通过利用该检测元件和温度补偿元件之间的电阻值的差，可检测出氢浓度。

在上述的燃料电池的保护系统中，有时结露水因从燃料电池排出的高湿度废气而附着在配置于废气流路内的氢气浓度传感器上。该情况下，氢气浓度传感器可能发生劣化及故障等。特别是在上述的固体高分子膜型燃料电池中，由于通常的动作温度比水的蒸汽化温度低，且废气成为高湿度，因此，废气中的水分容易结露。

另外，在阴极废气的流路内设置了上述的气体接触燃烧式的氢气浓度传感器的情况下，在有加湿水及反应生成水等附着于检测元件上的状态下重复进行通电、停电，从而在传感器内部的元件通电部可能产生腐蚀及短路等。另外，输出因水分的附着而也可能导致不稳定。

发明内容

因此，本发明的课题在于，提供一种可抑制结露水对特定气体浓度传感器的附着的燃料电池系统。

为解决上述课题，本发明采用以下手段。

(1)即，本发明提供一种燃料电池系统，其具备：燃料电池，其接受阴极气体及阳极气体的供给进行发电；排气处理装置，其将从该燃料电池排出的阴极废气及阳极废气混合稀释；排出气体配管，其中流通从所述排气处理装置排出的排出气体；特定气体浓度传感器，其设于所述排出气体配管中，测定所述排出气体中的特定气体的浓度；流路截面积增大部，其设于所述排气处理装置和所述特定气体浓度传感器之间，具有比所述排出气体配管大的流路截面积。

根据所述燃料电池系统，在流路截面积增大部，通过增大与排出气体的接触面积，使温度降低。由此，排出气体中所含的水分在流路截面积增大部的内壁面结露。其结果是，经由流路截面积增大部流出的排出气体的湿度降低，从而可抑制结露水在流路截面积增大部的下游侧的产生。其结果是，由于在流路截面积增大部的下游侧设置有特定气体浓度传感器，故可抑制结露水对特定气体浓度传感器的附着。

(2)所述流路截面积增大部是使所述排出气体的排出音降低的消声器。

该情况下，由于不必重新设置作为流路截面积增大部起作用的装置，故可抑制制造成本的增加。另外，也可以降低排出气体的排出音，从而可提高商品性。

(3)另外，该情况下，所述消声器也可以具有多个膨胀室。

(4)也可以采用在所述排出气体配管形成有弯曲部，所述特定气体浓度传感器设于所述弯曲部的上游侧的构成。

该情况下，由于排出气体冲击弯曲部而使排出气体的流速变化，因此，通过在其上游侧配置特定气体浓度传感器，可增加排出气体和特气体浓度传感器的接触机会。因此，利用特定的气体浓度传感器能够可靠地检测出特定气体。另外，即使在异物从排出口侵入到排出气体配管内的情况下，也能够防止被该异物卡住，致使异物到达特定气体浓度传感器。因此，可有效地保护特定气体浓度传感器。

(5)所述特定气体浓度传感器也可以设于所述排出气体配管的上部。

该情况下，由于在排出气体配管中产生的结露水在排出气体配管的下部流动，故可防止水分对特定气体浓度传感器的附着。另外，由于比重轻的特定气体在排出气体配管的上部流动，故利用特定气体浓度传感器能够可靠地检测出特定气体。

(6)另外，也可以在所述排出气体配管的下侧设有仅使该排出气体配管的排出口露出的底罩。

(7)所述排气处理装置也可以是稀释器。

附图说明

图1是燃料电池组的概略立体图；

图2是单电池的展开图；

图3是图2中A-A线的侧面剖面图；

图4是表示燃料电池系统的概略构成的框图；

图5A及图5B是氢气浓度传感器的说明图；

图6A及图6B是同氢气浓度传感器的配置图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的燃料电池系统之一实施方式。

图1是本实施方式的燃料电池组的概略立体图。燃料电池组1如下构成，将单燃料电池(下面称为“单电池”)10层叠多个并电串联连接，在其两侧配置端板90A、90B，并利用未图示的拉杆进行连结。

图2是单电池的展开图。单电池10为在膜电极构造体20的两侧配置了隔板30A、30B的夹层构造。详细地说，膜电极构造体20例如通过在由氟系电解质材料等构成的固体高分子电解质膜(电解质膜21)的两侧配置阳极电极22和阴极电极23而构成，面向膜电极构造体20的阳极电极22配置有阳极侧隔板30A，面向阴极电极23配置有阴极侧隔板30B。两隔板30A、30B例如由炭材料等构成。

图2中，在膜电极构造体20及两隔板30A、30B的右上角部设有使用前的燃料气体(例如氢气)流通的燃料气体供给口11，且在其对角位置即左下角部设有使用后的燃料气体(下面称作“阳极废气”)流通的阳极废气排出口12。另外，在膜电极构造体20及两隔板30A、30B的左上角部设有使用前的氧化剂气体(例如空气)流通的氧化剂气体供给口13，且在其对角位置即右下角部设有使用后的氧化剂气体(下面称作阴极废气)流通的阴极废气排出口14。另外，在膜电极构造体20和两隔板30A、30B的上侧中央部设有使用前的制冷剂(冷媒)流通的制冷剂供给口15，且在其对称位置即下侧中央部设有使用后的制冷剂流通的制冷剂排出口16。

在阴极侧隔板30B上，在与膜电极构造体20对置的面上，平面看大致矩形地形成有用于使氧化剂气体沿膜电极构造体20流通的凹部(52)。该凹部与氧化剂气体供给口13及阴极废气排出口14连接，形成有氧化剂气体流路52。在该氧化剂气体流路52内平行地设有按照自上至下流动的方式引导氧化剂气体的多个导向突条53。另外，在阴极侧隔板30B上，膜电极构造体20的相反侧的面形成为平坦面。

另外，在阴极侧隔板30B的膜电极构造体20的对置面设有密封材料70B。该密封材料70B作为硅系橡胶、氟系橡胶、乙烯-丙烯系橡胶、丁基系橡胶等一体成形品构成。密封材料70B将氧化剂气体供给口13、氧化剂气体流路52及阳极废气排出口14的外侧包围一周，同时将燃料气体供给口11、阴极废气排出口12、制冷剂供给口15及制冷剂排出口16分别单个地包围。

还有，图中未图示，在阳极侧隔板30A上，在与膜电极构造体20对置的面上，平面看大致矩形地形成有用于使燃料气体沿膜电极构造体20流通的凹部。该凹部与燃料气体供给口11及阳极废气排出口12连接，形成燃料气体流路(51)。另外，在阳极侧隔板30A的膜电极构造体20的对置的面设有密封材料(70A)。

另一方面，在阳极侧隔板30A上，在膜电极构造体20的相反侧的面上，平面看大致矩形地形成有由于使制冷剂流通的凹部(32)。该凹部与制冷剂供给口15及制冷剂排出口16连接，形成制冷剂流路32。在该制冷剂流路32内平行地设有按照自上至下流动的方式引导制冷剂的单个导向突条33。另外，在阳极侧隔板30A上的膜电极构造体20的相反侧的面设有密封材料70C。

图3是图2中A-A线的侧面剖面图。如图3所示，阴极侧隔板30B经由密封材料70B紧贴膜电极构造体20，阳极侧隔板30A经由密封材料70A紧贴膜电极构造体20。由此，在阴极侧隔板30B和膜电极构造体20之间形成氧化剂气体流路52，在阳极侧隔板30A和膜电极构造体20之间形成燃料气体流路51。

另外，阳极侧隔板30A经由密封材料70C紧贴相邻的阴极侧隔板30B。由此，在两隔板30A、30B之间形成制冷剂流路32。

然后，当向燃料气体流路51供给作为燃料气体的氢气等，并向氧化剂气体流路42供给作为氧化剂气体的含有氧气的空气等时，在阳极电极22通过催化反应而产生的氢离子通过固体高分子电解质膜21而移动到阴极电极23。该氢离子在阴极电极23引起氧气和电化学反应，并产生电。产生的电被聚集在图1所示的端板90A、90B并被取出到外部。另外，伴随发电而生成水。在阴极电极23侧产生的生成水的一部分透过固体高分子电解质膜1向阳极电极22侧扩散，因此，在阳极电极22侧也存在生成水。

另一方面，膜电极构造体20及两隔板30A、30B上形成的燃料气体供给口11彼此联接，形成将膜电极构造体20及两隔板30A、30B在层叠方向贯通的燃料气体供给用连通路91。该燃料气体供给用连通路91与各单电池10的燃料气体流路51连结。

如图1所示，燃料气体供给用连通孔91的一端部通过形成于端板90A上的燃料气体流入口91A开口，燃料气体供给用连通孔91的另一端部通过端板90B堵塞。

同样，将形成于各单电池10上的阳极废气排出口12彼此连结，形成阳极废气喷出用连通孔92，将其一端部通过形成于端板90A的阳极废气流出口92A开口。另外，将氧化剂气体供给口13彼此连结，形成氧化剂气体供给用连通孔93，将其一端部通过氧化剂气体流入口93A开口。另外，将阴极废气排出口14彼此连结，形成阴极废气排出用连通孔94，将其一端部通过阴极废气流出口94A开口。另外，将制冷剂供给口15彼此连结，形成制冷剂供给用连通孔95，将其一端部通过制冷剂流入口95A开口。另外，将制冷剂排出口16彼此连结，形成制冷剂排出用连通孔96，将其一端部通过制冷剂流出口96A开口。

(燃料电池系统)

图4是表示燃料电池系统的概略构成的框图。上述的燃料电池组(下面称作“燃料电池”)1通过氢气等燃料气体和空气等氧化剂气体的电化学反应而进行发电。在例如对称1的燃料气体供给用连通孔(燃料气体流路51的入口侧)连接有燃料气体供给配管113，且在其上游端部连接有氢罐130。另外，在燃料电池1的氧化剂气体供给用连通孔(氧化剂气体流路52的入口侧)连接有氧化剂气体供给配管121，且在其上游端部连接有空气压缩机102。在燃料电池1的阳极废气排出用连通孔(燃料气体流路51的出口侧)连接有阳极废气排出配管112，在阴极废气排出用连通孔(氧化剂气体流路52的出口侧)连接有阴极废气排出配管122。

从氢罐130供给到燃料气体供给配管113的氢气由调节器减压后，通过排出器，由阳极加湿器进行加湿，供给向燃料电池1的燃料气体流路51。阳极废气通过阳极废气排出配管112被上述排出器吸引，与从氢罐130供给的氢气合流，再次被供给到燃料电池进行循环。阳极废气排出配管112经由电磁驱动式排气阀108与稀释器(排气处理装置)140连接。

另一方面，空气由空气压缩机102加压，并由阴极加湿器103加湿，供给向燃料电池1的氧化剂气体流路52。在将该空气中的氧气作为氧化剂供发电后，将其从燃料电池1作为阴极废气排出。阴极废气排出配管122经由电磁驱动式背压阀104与稀释器140连接。稀释器140通过将阳极废气和阴极废气混合，利用阴极废气来稀释包含未反应的氢气的阳极废气。

控制装置110根据燃料电池1所要求的输出驱动空气压缩机102，将规定量的空气供给向燃料电池1，同时控制遮断阀105，从氢罐130向燃料电池1供给规定量的氢气。另外，控制背压阀104，将空气向氧化剂气体流路52供给的压力调节为对应于燃料电池1的要求输出的压力。另外，控制排气阀108来调节阳极废气的排出。

在稀释器140的下游侧延伸设有排出气体配管214。在排出器气体配管214上设有降低排出气体的排出音的消声器(消音器)150。消声器150的内部形成有多个排气膨胀室，通过大幅度确保这些膨胀室的容量来提高消声效果。排气膨胀室的流路截面积比排出气体配管214的流路截面积大。即，包含排气膨胀室的消声器150作为流路截面积比排出气体配管214的大的流路截面积增大部构成。

(氢气浓度传感器)

在延设于消声器150下游侧的排出气体配管214上设有氢气浓度传感器204。

图5A及图5B是氢气浓度传感器的说明图。图5A是平面图，图5B是图5A中B-B线的侧面剖面图。

图5A所示的氢气浓度传感器204例如是气体接触燃烧式氢气浓度传感器，其具有正方形状的壳体221。壳体221是将螺栓224插入凸缘部222的衬套223内，而紧固在设于排出气体配管214上的安装座225上的。

如图5B所示，在壳体221的下面形成有筒状部226。在筒状部226的外周面安装有密封材料235，其紧贴排出气体配管214的贯通孔214a的内周壁而确保气密性。而且，筒状部226的内侧称为气体检测室227。在筒状部226的前端形成有气体导入部229，该气体导入部229在排出气体配管214的上面开口。

在气体检测室227的底面227A配置有基座234，且从该基座234起立设有多个销233。

如图5A所示，在一对销223的前端架设有检测元件231，且在另一对销233的前端架设有温度补偿元件232。这些销233作为对检测元件231及温度补偿元件232进行通电的通电部起作用。检测元件231及温度补偿元件232隔开规定间隔被平行地配置，从基座234起配置为相同的高度。

检测元件231通过利用担载催化剂的氧化铝等覆盖线圈的表面而形成。催化剂由相对于作为被检测气体的氢气为活性的贵金属(例如白金)等构成。线圈由包含相对于电阻温度系数高的白金等的金属线构成。与之相对，温度补偿元件232相对于被检测气体为惰性，例如通过由未担载催化剂的氧化铝等覆盖与检测元件231相同的线圈的表面而形成。

检测元件231的催化剂通过与氢气接触而燃烧。由此，检测元件231的温度上升，从而电阻值增加。检测元件231的电阻值对应氢气的浓度而增加。与之相对，温度补偿元件232不会因与氢气接触而发热，从而电阻值也不会增加。由此，在检测元件231和温度补偿元件232之间有电阻值差产生。利用该电阻值的差可检测氢浓度。

而且，在超过预定的阈值的浓度的氢气由该氢气浓度传感器204检测到的情况下，采用利用控制装置110遮断燃烧气体的供给等措施。

图6A及图6B是氢气浓度传感器的配置图。图6A是平面图(从车辆上方看到的图)，图6B是背面图(从车辆后方看到的图)。如图6A及图6B所示，氢气浓度传感器204被设于消声器150的下游侧的排出气体配管214上。即，在稀释器140和氢气浓度传感器204之间设有消声器150。消声器150作为流路截面积比排气配管214大的流路截面积增大部起作用。

在将点火开关关闭后的保管状态下，在流路截面积增大部，通过扩大与排出气体接触的接触面积，使温度降低。由此，排出气体中包含的水分在流路截面积增大部的内壁面结露。其结果是，从流路截面积增大部六畜的排出气体的湿度降低，可抑制在流路截面积增大部下游侧的结露水的产生。由于在流路截面积增大部的下游侧设有氢气浓度传感器204，故可抑制结露水向氢气浓度传感器204的附着。与此同时，可减少水分向氢气浓度传感器204的检测元件231、及对检测元件231通电的通电部即销233等的附着，从而可防止腐蚀及短路等的发生。

另外，在本实施方式中，将消声器150作为流路截面积增大部利用。由此，由于不需要为防止氢气浓度传感器上的结露而重新设置作为流路截面积增大部起作用的装置，故可抑制制造成本的增加。另外，可降低排出气体的排出音，从而可提高商品性。

另外，当在消声器150的上游侧设置氢气浓度传感器204时，消声器150的容积成为障碍，从而温度低的大气难以流通，要降低氢气浓度传感器204周边的湿度需要较长时间。与之相对，通过在消声器150的下游侧设置氢气浓度传感器204，可在短时间内降低氢气浓度传感器204周边的湿度。

但是，排出气体配管214在车宽方向延伸设置，其下游端部向车辆后方弯曲，并设置弯曲部215。在弯曲部215的下游端部设有排出气体的排出口216。上述的氢气浓度传感器204被设于该弯曲部215的上游端部附近。

由于排出气体冲击弯曲部215而引起排出气体的流速变化，因此，通过在其上游端部配置氢气浓度传感器204，可增加排出气体和氢气浓度传感器204的接触机会。因此，通过氢气浓度传感器204能够可靠地检测氢气。另外，即使在异物从排出口216侵入到排出气体配管214内的情况下，也能够防止被该异物15卡住，致使异物到达氢气浓度传感器204。因此，可保护氢气浓度传感器204。

另外，从排出气体配管214的排出口216到氢气浓度传感器204的距离L优选20cm以下，更优选5cm～10cm。

若将氢气浓度传感器204设于排出气体配管的下游侧(接近排出口216的位置)，则温度低的大气容易流通，可在短时间内降低氢气浓度传感器204周边的湿度。相反，若在排出气体配管的上游侧(距排出口216远的位置)设置氢气浓度传感器204，则可不受外部因素(环境空气的流动等)地准确地测定排出气体中包含的氢气的浓度。通过将从排出口216到氢气浓度传感器204的距离L设定在上述范围，可得到这些平衡。

氢气浓度传感器204被设于排出气体配管214的上部。即，氢气浓度传感器204的气体导入部229在排出气体配管214的上面开口。

由于在排出气体配管214产生的结露水在排出气体配管214的下部流动，因此，通过作成上述构成，可防止水分向氢气浓度传感器的附着。另外，由于比重轻的氢气在排出气体配管214的上部流动，故可通过氢气浓度传感器214可靠地检测氢气。

在排出气体配管214的下侧设有由钢板等构成的底罩218。底罩218按照在只是使排出气体配管214的排出口216露出的状态下覆盖排出气体配管214及氢气浓度传感器204的方式形成。

通过由该底罩218防止氢气浓度传感器204的露出，可防止石块等外部因素的影响波及氢气浓度传感器204，从而可防止氢气浓度传感器204的故障。

另外，本发明不限于上述的实施方式。

例如在上述实施方式中，采用消声器作为流路截面积增大部，若增大排出气体配管的流路截面积，则也可以采用消声器以外的部件。另外，燃料电池中的反应气体流路及制冷剂流路的形状不限于上述实施方式，可设为任意形状。

另外，在上述实施方式中，为了用阴极废气稀释包含未反应的氢气的阳极废气而使用稀释器140，但也可以取代其使用催化剂燃烧器。

Claims

1、一种燃料电池系统，其特征在于，具备：

燃料电池，其接受阴极气体及阳极气体的供给进行发电；

排气处理装置，其将从该燃料电池排出的阴极废气及阳极废气混合稀释；

排出气体配管，其中流通从所述排气处理装置排出的排出气体；

特定气体浓度传感器，其设于所述排出气体配管中，测定所述排出气体中的特定气体的浓度；

流路截面积增大部，其设于所述排气处理装置和所述特定气体浓度传感器之间，具有比所述排出气体配管大的流路截面积。

2、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述流路截面积增大部是使所述排出气体的排出音降低的消声器。

3、如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述消声器具有多个膨胀室。

4、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

在所述排出气体配管形成有弯曲部，

所述特定气体浓度传感器设于所述弯曲部的上游侧。

5、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述特定气体浓度传感器设于所述排出气体配管的上部。

6、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述排出气体配管的下侧设有仅使该排出气体配管的排出口露出的底罩。

7、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述排气处理装置是稀释器。