JP2005353397A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池から排気される高温多湿の排気ガス中の水素を検知する水素センサの結露を防止した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that prevents dew condensation of a hydrogen sensor that detects hydrogen in a hot and humid exhaust gas exhausted from a fuel cell.
従来、高温多湿の被検ガスを検出するセンサにおいて、結露を防止する技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている(特許文献1参照)。この文献に記載された技術では、被検ガスを検知するガス検知素子が収納されたハウジング部屋と外部との間に、撥水フィルタならびに発熱体を設け、ガス取り入れ口から撥水フィルタを介して高温多湿の被検ガスを取り入れ、取り入れた高温多湿の被検ガスを発熱体で加熱した後、ガス検知素子に到達させるようにして、結露を防止するようにしている。 Conventionally, as a technique for preventing condensation in a sensor that detects a high-temperature and high-humidity test gas, for example, those described in the following documents are known (see Patent Document 1). In the technique described in this document, a water repellent filter and a heating element are provided between a housing room in which a gas detection element for detecting a gas to be detected is housed and the outside, and the gas intake port passes through the water repellent filter. A high-temperature and high-humidity test gas is taken in, and the introduced high-temperature and high-humidity test gas is heated by a heating element and then reaches the gas detection element to prevent condensation.
また、センサ全体にセンサを加熱するヒータを巻いたり、ヒータに断熱材を巻くことでセンサの温度を周囲よりも高くし、結露を防止する手法も従来から提案されている。
高温多湿の被検ガスを検出する従来のセンサにあっては、ガス検知素子の大きさは非常に微小であるため、素子自体の発熱量は極めて少ない。このため、素子の発熱効果は、素子が収納されたハウジング部屋内の周辺に対してほとんど期待できない。したがって、被検ガスの温度は、常にハウジング部屋の内壁の温度より高くなる。このような状態においては、ガス検知素子は自身の発熱によって結露しないものの、高温多湿の被検ガスがハウジング部屋の内壁に触れて冷やされると、ハウジング部屋の内壁に結露水が付着することは避けられなくなる。 In a conventional sensor that detects a high-temperature and high-humidity test gas, the size of the gas detection element is very small, so that the amount of heat generated by the element itself is extremely small. For this reason, the heat generation effect of the element can hardly be expected for the periphery in the housing room in which the element is stored. Therefore, the temperature of the test gas is always higher than the temperature of the inner wall of the housing room. In such a state, the gas detection element does not condense due to its own heat generation, but when the hot and humid test gas is cooled by touching the inner wall of the housing room, it is avoided that the condensed water adheres to the inner wall of the housing room. It becomes impossible.
ハウジング部屋の内壁が結露すると、内壁に付着した結露水がガス検知素子の周辺に垂れてきて、結露水が溜まってしまうおそれがあった。この結露水が高温で発熱している素子に触れることで、急激に冷却された素子が熱ストレスによって損傷を受けて、例えば断線するという問題があった。 When the inner wall of the housing room is condensed, the condensed water adhering to the inner wall may hang down around the gas detection element, and the condensed water may accumulate. When the condensed water touches an element that generates heat at a high temperature, there is a problem that the rapidly cooled element is damaged by thermal stress, for example, is disconnected.
また、燃料電池システムから排気される高温多湿の排出ガス中の水素を検出する水素センサの場合では、燃料電池システムの起動直後に、水素センサを収納するハウジング部屋の内壁温度はハウジング部屋に導入される排気ガスの温度よりも低くなっている。このため、システムの起動直後からハウジング部屋の内壁に結露が発生してしまうという問題があった。 In the case of a hydrogen sensor that detects hydrogen in a hot and humid exhaust gas exhausted from the fuel cell system, the inner wall temperature of the housing room that houses the hydrogen sensor is introduced into the housing room immediately after the start of the fuel cell system. The exhaust gas temperature is lower. For this reason, there is a problem that condensation occurs on the inner wall of the housing room immediately after the system is started.
さらに、加熱効果が期待できるほど発熱量の大きい外付けヒータによって水素センサを加熱するような場合では、ヒータの表面だけが周りよりも著しく高温になってしまい、水素センサの回路基板に損傷を与えてしまうおそれがあった。 Furthermore, when the hydrogen sensor is heated by an external heater that generates a large amount of heat so that the heating effect can be expected, only the surface of the heater becomes significantly hotter than the surroundings, causing damage to the circuit board of the hydrogen sensor. There was a risk of it.
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水素センサ内部の結露を防止し、信頼性の高い水素センサを備えた燃料電池システムを提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system including a highly reliable hydrogen sensor that prevents condensation inside the hydrogen sensor. .
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスの水素と酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池から排気された排気ガス中に含まれる水素を検知する水素センサと、前記排気ガスを外部に排気する主排気配管に分岐して設けられ、前記主排気配管から分流した被検知排気ガスを前記水素センサに導入する分岐路と、前記分岐路に設けられ、前記主排気配管から前記分岐路に分流して前記水素センサに導入される被検知排気ガスを冷却する冷却手段とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the means for solving the problems of the present invention is to detect hydrogen contained in exhaust gas exhausted from a fuel cell that generates power by reacting hydrogen of a fuel gas with an oxidant gas. A sensor, a branch path provided to the main exhaust pipe for exhausting the exhaust gas to the outside, a branch path for introducing the detected exhaust gas branched from the main exhaust pipe to the hydrogen sensor, and a branch path, And cooling means for cooling the detected exhaust gas that is branched from the main exhaust pipe to the branch passage and introduced into the hydrogen sensor.
本発明によれば、燃料電池から主排気配管に排気された高温高湿の排気ガスの内、分岐路に分流した被検知排気ガスを、冷却手段5により冷却して水分を除去した後水素センサに導入することが可能となる。これにより、水素センサにおける結露の発生を防止することができる。 According to the present invention, the detected exhaust gas which has been diverted to the branch path out of the high-temperature and high-humidity exhaust gas exhausted from the fuel cell to the main exhaust pipe is cooled by the cooling means 5 and then the water is removed. Can be introduced. Thereby, generation | occurrence | production of the dew condensation in a hydrogen sensor can be prevented.
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムにおける、水素センサが設置された周辺の構成を示す図である。図1に示す実施例1において、空気配管を介して空気等の酸化剤ガスがカソード側に供給され、燃料配管を介して燃料ガスの水素ガスがアノード側に供給された燃料電池スタックでは、アノード側に供給された水素ガスが固体高分子電解質を水素イオンとなってカソード側へ移動し、カソード側に供給された空気中の酸素と反応して電力を生み出す。水素と酸素との反応により生成された反応ガスは、カソード内で水蒸気となって排気配管から燃料電池の外部へ排気される。このような燃料電池システムから排気される高温高湿度の排気ガス中の水素を検知する水素センサ1が燃料電池システムに設けられている。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration around a hydrogen sensor installed in a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. In Example 1 shown in FIG. 1, in a fuel cell stack in which an oxidant gas such as air is supplied to the cathode side through an air pipe and hydrogen gas of fuel gas is supplied to the anode side through a fuel pipe, The hydrogen gas supplied to the side moves to the cathode side through the solid polymer electrolyte as hydrogen ions, and reacts with oxygen in the air supplied to the cathode side to generate electric power. The reaction gas generated by the reaction between hydrogen and oxygen becomes steam in the cathode and is exhausted from the exhaust pipe to the outside of the fuel cell. A hydrogen sensor 1 for detecting hydrogen in high-temperature and high-humidity exhaust gas exhausted from such a fuel cell system is provided in the fuel cell system.
燃料電池システムから排気される排気ガスをシステムの外部に導出する主排気配管2には、主排気配管2を流通する排気ガスから分流して検知用のサンプルガスとなる分流排気ガスを水素センサ1に導く分岐配管3(分岐路)が、主排気配管2から分岐して設けられている。分岐配管3には、水素センサ1への分流排気ガスの導入を遮断制御する遮断用バルブ4(遮断手段)が設けられている。なお、遮断用バルブ4は、水素センサ1の下流側の分岐配管3に設けるようにしてもよい。
In the
遮断用バルブ4の下流側の分岐配管3には、分流排気ガスを冷却する冷却手段(冷却空間)5が設けられている。この冷却手段5は、分流排気ガスの流路内に設けられた例えば金属メッシュや、流路外に設けられた冷却フィン等で構成され、流入した分流排気ガスを冷却し、分流排気ガスの温度を水素センサ1の検知部が収納されたハウジング部屋の内部壁の温度よりも低い温度にまで低下させる。 The branch pipe 3 on the downstream side of the shutoff valve 4 is provided with a cooling means (cooling space) 5 for cooling the shunt exhaust gas. The cooling means 5 is composed of, for example, a metal mesh provided in the flow path of the diverted exhaust gas, a cooling fin provided outside the flow path, etc., and cools the diverted exhaust gas that has flowed in. Is lowered to a temperature lower than the temperature of the inner wall of the housing room in which the detection part of the hydrogen sensor 1 is housed.
冷却手段5の下流側の分岐配管3には、分岐配管3を流通する分流排気ガスを加熱する加熱手段6が設けられている。この加熱手段6は、例えば分岐配管3を被覆するリボンヒータ等で構成され、この加熱手段6で加熱された分流排気ガスが水素センサ1に導入された際に、加熱された分流排気ガスによってハウジング部屋の内部壁表面が温められ、ハウジング部屋の内部壁の表面温度が分岐配管3の分岐入口の分流排気ガスの温度よりも高くなる程度の熱量を、分岐配管3を流通する加熱空間の分流排気ガスに与え、分流排気ガスを加熱する。 The branch pipe 3 on the downstream side of the cooling means 5 is provided with a heating means 6 for heating the diverted exhaust gas flowing through the branch pipe 3. The heating means 6 is composed of, for example, a ribbon heater that covers the branch pipe 3. When the diverted exhaust gas heated by the heating means 6 is introduced into the hydrogen sensor 1, the heated diverted exhaust gas is used as a housing. The internal wall surface of the room is warmed, and the amount of heat that causes the surface temperature of the internal wall of the housing room to be higher than the temperature of the diverted exhaust gas at the branch inlet of the branch pipe 3 is separated into the heated space that flows through the branch pipe 3. Feed the gas and heat the diverted exhaust gas.
加熱手段6の下流側の分岐配管3には、主排気配管2から分流して分岐配管3を介して導かれた分流排気ガス中の水素を検知する水素センサ1が設けられている。この水素センサ1は、主排気配管2から分岐した分岐配管3に設けられた遮断用バルブ4、冷却手段5、加熱手段6により加熱される分岐配管3を通って導かれた分流排気ガスが、水素を検知する検知部が収納されたハウジング部屋に導入され、分流排気ガス中の水素を検知する。水素が検知されて水素センサ1から排出された分流排気ガスは、分岐配管3を介して管路圧力損失調整用バルブ7の下流側の主排気配管2に導出される。
The branch pipe 3 on the downstream side of the heating means 6 is provided with a hydrogen sensor 1 that detects hydrogen in the split flow exhaust gas that is branched from the
主排気配管2には、分岐配管3が連結された分岐入口の下流側に、管路圧力損失調整用バルブ7(圧力調整手段)が設けられている。この管路圧力損失調整用バルブ7は、バルブの開度により主排気配管2を流通する排気ガスの流量を制御して、主排気配管2から分岐配管3に分流する分流排気ガスの流量を常時一定流量に調整制御する。管路圧力損失調整用バルブ7のバルブ開度は、管路圧力損失調整用バルブ7の上流側の主排気配管2に設けられた圧力センサ8(圧力測定手段)で検出された排気ガスの圧力と、分岐配管3の分岐入口付近に設けられた圧力センサ9(圧力測定手段)で検出された分流排気ガスの圧力とに基づいて調整制御される。
The
分岐配管3には、分岐入口に熱電対等で構成された温度センサ10が設けられ、この温度センサ10は、分岐入口の分流排気ガスの温度を測定する。また、加熱手段6が設置された分岐配管3内部の加熱空間には、熱電対等で構成された温度センサ11が設けられ、この温度センサ11は、加熱空間を流通する分流排気ガスの温度を測定する。 The branch pipe 3 is provided with a temperature sensor 10 composed of a thermocouple or the like at the branch inlet, and this temperature sensor 10 measures the temperature of the shunt exhaust gas at the branch inlet. In addition, a temperature sensor 11 composed of a thermocouple or the like is provided in the heating space inside the branch pipe 3 where the heating means 6 is installed, and this temperature sensor 11 measures the temperature of the shunt exhaust gas flowing through the heating space. To do.
遮断用バルブ4におけるバルブの開閉、加熱手段における加熱/停止制御、管路圧力損失調整用バルブ7におけるバルブの開閉は、圧力センサ8,9、温度センサ10,11を含む各種センサで検出された検出結果を入力して、燃料電池システムの運転を制御する制御中枢として機能するマイクロコンピュータ等で構成されたコントロールユニット(図示せず)で制御される。
Opening / closing of the valve in the shutoff valve 4, heating / stopping control in the heating means, and opening / closing of the valve in the pipe pressure loss adjusting valve 7 were detected by various sensors including the
このような構成において、燃料電池システムから排気される高温高湿度の排気ガスの内、小流量の排気ガスが、検知用のサンプルガスとして分岐配管3に分流する。分岐配管3に分流する分流排気ガスの流量は、主排気配管2に設けられた圧力センサ8、ならびに分岐配管3に設けられた圧力センサ9で求められた両配管の圧力損失の差に基づいて、管路圧力損失調整用バルブ7の開度を制御することで常時一定流量に保たれる。また、システムによって異なるが、水素センサ1を使う必要がない時間がある場合は、水素センサ1の劣化を防止し、結露を防ぐために遮断用バルブ4を閉じる。
In such a configuration, among the high-temperature and high-humidity exhaust gas exhausted from the fuel cell system, a small flow rate of exhaust gas is diverted to the branch pipe 3 as a sample gas for detection. The flow rate of the split flow exhaust gas to be branched into the branch pipe 3 is based on the pressure loss difference between both pipes obtained by the pressure sensor 8 provided in the
主排気配管2から分岐配管3に分流した分岐排気ガスは、先ず冷却手段5に導入されて冷却される。ここで、冷却手段5により分流排気ガスの温度を水素センサ1における内部壁の表面温度以下まで低下させることで、分流排気ガスから水分を除去する。これにより、分流排気ガスが水素センサ1に導入されて内部壁に触れて冷却されたとしても、結露が生じることは回避される。この冷却手段5によって冷却された分流排気ガスは、次に加熱手段6によって加熱される。ここでは、水素センサ1における内部壁の表面が加熱された分流排気ガスによって温められ、その表面温度が分岐配管3の分岐入口の分流排気ガスの温度よりも高くなる熱量が、加熱手段6によって分岐配管3の加熱空間を流通する分流排気ガスに与えられる。
The branch exhaust gas branched from the
冷却手段5の冷却空間は、分流排気ガスの温度よりも低い温度にあり、また熱源となる分流排気ガスの温度よりも高い温度になることはない。このため、分流排気ガスの熱量は冷却手段5を構成する例えば冷却フィン、金属メッシュとの間で熱交換されて、冷却手段5に移動する。 The cooling space of the cooling means 5 is at a temperature lower than the temperature of the shunt exhaust gas, and does not reach a temperature higher than the temperature of the shunt exhaust gas serving as a heat source. For this reason, the heat quantity of the split flow exhaust gas is exchanged with heat, for example, between the cooling fins and the metal mesh constituting the cooling means 5 and moves to the cooling means 5.
一方、燃料電池の発電反応によって必ず熱が生じるため、分流排気ガスの温度は外気温度よりも低くなることは起こり得ない。言い換えれば、外気温度は分流排気ガスの温度よりも高くなることはない。したがって、分流排気ガスから冷却手段5が受け取った熱量は、冷却フィンもしくは金属メッシュから自然に起こる放射冷却によって、冷却手段5の周囲の外気へと移動する。これにより、冷却手段5は、通常の分岐配管などよりも高い冷却効果でもって冷却され、分流排気ガスの温度と冷却手段5の冷却空間の温度との関係は、以下に示すようになる。 On the other hand, since heat is always generated by the power generation reaction of the fuel cell, the temperature of the shunt exhaust gas cannot be lower than the outside air temperature. In other words, the outside air temperature does not become higher than the temperature of the shunt exhaust gas. Therefore, the amount of heat received by the cooling means 5 from the shunt exhaust gas moves to the ambient air around the cooling means 5 by radiative cooling that naturally occurs from the cooling fins or the metal mesh. As a result, the cooling means 5 is cooled with a higher cooling effect than a normal branch pipe or the like, and the relationship between the temperature of the shunt exhaust gas and the temperature of the cooling space of the cooling means 5 is as follows.
分流排気ガス温度>冷却手段5の冷却空間温度 …(1)
一方、水素センサ1の内部壁が、分岐入口の分流排気ガスの温度より高い温度となるように加熱手段で温められた分流排気ガスによって温められることで、徐々に水素センサ1における内部壁の温度を分岐入口の分流排気ガスの温度よりも高い温度にする。これにより、加熱手段6の加熱空間の温度、水素センサ1における内部壁の温度、ならびに分岐入口の分流排気ガスの温度の関係は、以下に示すようになる。
Divided exhaust gas temperature> Cooling space temperature of cooling means 5 (1)
On the other hand, the temperature of the inner wall of the hydrogen sensor 1 is gradually increased by heating the inner wall of the hydrogen sensor 1 with the diverted exhaust gas heated by the heating means so as to be higher than the temperature of the diverted exhaust gas at the branch inlet. Is set to a temperature higher than the temperature of the diverted exhaust gas at the branch inlet. Thereby, the relationship between the temperature of the heating space of the heating means 6, the temperature of the inner wall of the hydrogen sensor 1, and the temperature of the branch exhaust gas at the branch inlet is as shown below.
加熱手段6における加熱空間の温度>水素センサ1における内部壁温度>分岐入口の分流排気ガスの温度 …(2)
したがって、上記(1)ならびに(2)に示す関係により、水素センサ1における内部壁温度と冷却手段5の冷却空間の温度との関係は、以下に示すようになる。
Temperature of heating space in heating means 6> Internal wall temperature in hydrogen sensor 1> Temperature of branch flow exhaust gas at branch inlet (2)
Therefore, the relationship between the internal wall temperature in the hydrogen sensor 1 and the temperature of the cooling space of the cooling means 5 is as shown below by the relationship shown in the above (1) and (2).
水素センサ1における内部壁温度>冷却手段5における冷却空間の温度 …(3)
上記(3)に示す関係により、冷却手段5の冷却空間の温度を、常時、水素センサ1における内部壁の温度よりも低く設定することが可能となる。
Internal wall temperature in hydrogen sensor 1> cooling space temperature in cooling means 5 (3)
Due to the relationship shown in (3) above, the temperature of the cooling space of the cooling means 5 can always be set lower than the temperature of the inner wall of the hydrogen sensor 1.
一方、加熱手段6では、分岐配管3の分岐入口ならびに分岐配管3の加熱空間に設けられた温度センサ10,11で各々の分流排気ガスの温度を計測し、両温度の差(加熱空間温度−分岐入口の分流排気ガス温度)の変化率がプラスからマイナスに入れ替わるときに、通電を開始して加熱を始める。逆に、両温度の差の変化率がマイナスからプラスに切り替わったときは、通電を止めて加熱を停止する。このように、加熱手段6の作動を制御することで、熱容量を持つ物体(分流排気ガス)の温度変化の応答遅れを先読みし、常時、加熱空間の温度を分岐配管3の分岐入口の温度よりも高く維持することが可能となる。 On the other hand, in the heating means 6, the temperature sensors 10 and 11 provided in the branch inlet of the branch pipe 3 and the heating space of the branch pipe 3 measure the temperature of each of the divided exhaust gases, and the difference between the two temperatures (heating space temperature− When the rate of change in the branch exhaust gas temperature at the branch inlet changes from positive to negative, energization is started and heating is started. On the contrary, when the change rate of the difference between the two temperatures is switched from minus to plus, energization is stopped and heating is stopped. In this way, by controlling the operation of the heating means 6, the response delay of the temperature change of the object having the heat capacity (diverted exhaust gas) is prefetched, and the temperature of the heating space is always determined from the temperature of the branch inlet of the branch pipe 3. Can be kept high.
なお、加熱手段6の消費電力(発熱量)は、分流排気ガスによって徐々に冷却手段5の冷却空間が温められることで冷却手段5における冷却能力の低下スピードよりも、水素センサ1における内部壁の温度上昇スピードの方が高くなるように設定される。 The power consumption (heat generation amount) of the heating means 6 is such that the cooling space of the cooling means 5 is gradually warmed by the diverted exhaust gas, so that the cooling speed of the cooling means 5 is lower than the speed at which the cooling capacity of the cooling means 5 decreases. It is set so that the temperature rise speed is higher.
このように、冷却手段5によって分流排気ガスを冷却することで、冷却手段5で冷却された分流排気ガスの露点は水素センサ1における内部壁温度以下に達しているので、冷却後加熱手段6で加熱された分流排気ガスが、システムの起動時にまだ温まっていない水素センサ1の内部壁に触れ、分流排気ガスの温度が水素センサ1における内部壁温度まで低下したとしても、結露が発生することはない。 Thus, by cooling the shunt exhaust gas by the cooling means 5, the dew point of the shunt exhaust gas cooled by the cooling means 5 reaches below the internal wall temperature in the hydrogen sensor 1. Even if the heated diverted exhaust gas touches the inner wall of the hydrogen sensor 1 that is not warmed at the time of starting the system, and the temperature of the diverted exhaust gas decreases to the inner wall temperature in the hydrogen sensor 1, condensation will occur. Absent.
一方、システムの運転が長時間にわたって冷却手段5が徐々に温まってきたり、もしくは外気温が高い場合に、冷却空間と外気との温度差が縮まり、冷却手段5の冷却効果(放射冷却量)が時間の経過とともに低下してきた場合であっても、このような状態になるまでには、水素センサ1における内部壁温度は分流排気ガスによって温められて分岐入口の分流排気ガスの温度よりも高くなっているので、仮に冷却手段5で分流排気ガスが冷却されなくなった場合であっても、結露が発生することはない。すなわち、冷却手段5は、水素センサ1における内部壁温度が分岐入口の分流排気ガス温度よりも温まるまでに結露防止をバックアップする機能を果たすものといえる。 On the other hand, when the cooling means 5 gradually warms up over a long period of operation of the system or the outside air temperature is high, the temperature difference between the cooling space and the outside air is reduced, and the cooling effect (radiation cooling amount) of the cooling means 5 is reduced. Even when the temperature decreases with time, the internal wall temperature in the hydrogen sensor 1 is heated by the diverted exhaust gas and becomes higher than the temperature of the diverted exhaust gas at the branch inlet until such a state is reached. Therefore, even if the shunting exhaust gas is no longer cooled by the cooling means 5, condensation does not occur. That is, it can be said that the cooling means 5 fulfills the function of backing up prevention of condensation until the internal wall temperature in the hydrogen sensor 1 becomes warmer than the branch exhaust gas temperature at the branch inlet.
図2は分流排気ガス温度、水素センサ1における内部壁温度の時間推移を表したものであり、図3は図2にAで示す温度における、分岐配管3の分岐入口から水素センサ1における温度推移を表したものである。 FIG. 2 shows the time transition of the shunt exhaust gas temperature and the internal wall temperature in the hydrogen sensor 1, and FIG. 3 shows the temperature transition in the hydrogen sensor 1 from the branch inlet of the branch pipe 3 at the temperature indicated by A in FIG. It represents.
図2ならびに図3を参照して、先ず分岐入口における分流排気ガス温度はT1℃である。この温度の分流排気ガスは、冷却手段5によって水素センサ1における内部壁温度T2℃よりも低い温度に低下し、分流排気ガスから水分が除去される。この時点で、この分流排気ガスの露点がT2℃以下となるため、分流排気ガスが水素センサ1の内部壁に触れても結露が起こらない状態である。 2 and 3, first, the branch exhaust gas temperature at the branch inlet is T1 ° C. The diverted exhaust gas at this temperature is lowered by the cooling means 5 to a temperature lower than the internal wall temperature T2 ° C. in the hydrogen sensor 1, and moisture is removed from the diverted exhaust gas. At this time, since the dew point of the diverted exhaust gas becomes T2 ° C. or lower, no dew condensation occurs even if the diverted exhaust gas touches the inner wall of the hydrogen sensor 1.
続いて、冷却された分流排気ガスを加熱手段6で加熱する。この加熱は、水素センサ1における内部壁を温めるために行われる。加熱手段6で温められた分流排気ガスが水素センサ1における内部壁を温める際に、熱交換により分流排気ガスの温度は低下するが、水素センサ1における内部壁温度T2℃よりも低下することは熱交換の観点から考えられず、結露は起こらないといえる。 Subsequently, the cooled diverted exhaust gas is heated by the heating means 6. This heating is performed to warm the inner wall of the hydrogen sensor 1. When the diverted exhaust gas heated by the heating means 6 warms the inner wall of the hydrogen sensor 1, the temperature of the diverted exhaust gas is reduced by heat exchange, but it is lower than the inner wall temperature T2 ° C. of the hydrogen sensor 1. It cannot be considered from the viewpoint of heat exchange, and it can be said that condensation does not occur.
このようにして、水素センサ1における内部壁は、加熱手段6によって温められた分流排気ガスの熱で温まってゆく。この時、分岐配管3の加熱空間の温度は分岐入口の分流排気ガスの温度よりも高い温度に維持されているため、ある程度の時間が経過した後、水素センサ1における内部壁温度は分流排気ガス温度よりも高い温度に維持されるようになる。 In this way, the inner wall of the hydrogen sensor 1 is warmed by the heat of the shunt exhaust gas warmed by the heating means 6. At this time, since the temperature of the heating space of the branch pipe 3 is maintained at a temperature higher than the temperature of the diverted exhaust gas at the branch inlet, the internal wall temperature in the hydrogen sensor 1 becomes the diverted exhaust gas after a certain amount of time has passed. The temperature becomes higher than the temperature.
これにより、水素センサ1における内部壁温度が分岐入口の分流排気ガス温度よりも高くなった後(図2の両温度の交点以降)は、結露が発生することはない。すなわち、水素センサ1に導入される分流排気ガスに対して、冷却手段5ならびに加熱手段6を作用させることで、水素センサ1における内部壁を温めつつ、システムの起動時から結露を完全に防止することが可能となる。 Thereby, after the internal wall temperature in the hydrogen sensor 1 becomes higher than the branch exhaust gas temperature at the branch inlet (after the intersection of the two temperatures in FIG. 2), condensation does not occur. That is, by causing the cooling means 5 and the heating means 6 to act on the diverted exhaust gas introduced into the hydrogen sensor 1, dew condensation is completely prevented from the start of the system while warming the inner wall of the hydrogen sensor 1. It becomes possible.
以上説明したように、上記実施例1においては、燃料電池システムから主排気配管2に排気された高温高湿の排気ガスの内、分岐配管3に分流した分流排気ガスを、冷却手段5により水素センサ1における検知部を収納するハウジング部屋の内部壁の温度以下にまで冷却し、分流排気ガスから水分を除去した後、分流排気ガスを水素センサ1に導入することで、分流排気ガスが水素センサ1における内部壁に触れて冷却されても、結露の発生を防止することができる。これにより、結露に起因する水素センサ1の故障を防ぐことが可能となり、水素センサ1の信頼性を向上させることができる。
As described above, in the first embodiment, of the high-temperature and high-humidity exhaust gas exhausted from the fuel cell system to the
また、加熱手段6で温められた分流排気ガスの熱で水素センサ1における内部壁を温めることで、直接温めたい水素センサ1における内部壁をピンポイントで温めることが可能となる。 Further, by heating the inner wall of the hydrogen sensor 1 with the heat of the diverted exhaust gas heated by the heating means 6, it becomes possible to warm the inner wall of the hydrogen sensor 1 that is desired to be heated directly.
さらに、システムの起動後時間の経過と共に、燃料電池から排気された高温高湿度の分流排気ガスが冷却手段5に導入されるため、冷却手段5は徐々に温められて、所望の冷却効果を期待できなくなる可能性があるが、加熱手段6を冷却手段5のすぐ下流に設けることで、加熱手段6で温められた分流排気ガスで水素センサ1の内部壁を温める際に、熱交換によって水素センサ1の内部壁温度は上昇するが、分流排気ガス温度は低下するので、結露の発生を防止することができる。 Furthermore, since the high-temperature, high-humidity diverted exhaust gas exhausted from the fuel cell is introduced into the cooling means 5 with the passage of time after starting the system, the cooling means 5 is gradually warmed and a desired cooling effect is expected. Although it may become impossible, by providing the heating means 6 immediately downstream of the cooling means 5, when the inner wall of the hydrogen sensor 1 is warmed by the diverted exhaust gas warmed by the heating means 6, the hydrogen sensor is exchanged by heat exchange. Although the internal wall temperature of 1 increases, the shunt exhaust gas temperature decreases, so that the occurrence of condensation can be prevented.
また、水素検知の必要がない期間では、遮断用バルブ4を閉じることで、主排気配管2から分岐配管3に分流排気ガスが導入されることはなくなる。これにより、水素センサ1の検知部に常に水素がさらされることでの触媒劣化を防ぐことができる。その上、結露防止用の外付けヒータによって水素センサ1を温める必要がなくなり、ヒータを動作させる電力が不要となり、消費電力を低減することができる。
Further, during a period when hydrogen detection is not necessary, the shutoff valve 4 is closed so that the split exhaust gas is not introduced from the
また、冷却手段5における冷却空間の温度を、常時水素センサ1における内部壁の温度よりも低い温度に保持するすることで、冷却手段5を通過する分流排気ガスの温度は水素センサ1における内部壁温度以下まで冷却することが可能となり、分流排気ガスから水分を除去することができる。これにより、冷却後の分流排気ガスの露点は水素センサ1における内部壁温度よりも低い温度となり、この分流排気ガスが水素センサ1における内部壁に触れ冷却されたとしても、結露の発生を防止することができる。
In addition, the temperature of the cooling space in the
さらに、加熱手段6における加熱空間の温度を、常時分岐入口の分流排気ガス温度よりも高い温度に保持することで、加熱空間を通過する分流排気ガスの温度を分岐入口の分流排気ガス温度よりも高い温度とすることが可能となる。これにより、分岐入口の分流排気ガス温度よりも高い温度の分流排気ガスが水素センサ1に導入されて水素センサ1の内部壁を温めつづけることで、水素センサ1の内部壁温度を分岐入口の分流排気ガス温度よりも高い温度にすることが可能となる。したがって、水素センサ1に導入される分流排気ガスが水素センサ1における内部壁に触れたとしても、結露の発生を防止することができる。 Furthermore, by maintaining the temperature of the heating space in the heating means 6 at a temperature that is always higher than the temperature of the diverted exhaust gas at the branch inlet, the temperature of the diverted exhaust gas that passes through the heating space is higher than the temperature of the diverted exhaust gas at the branch inlet. A high temperature can be achieved. As a result, the shunt exhaust gas having a temperature higher than the shunt exhaust gas temperature at the branch inlet is introduced into the hydrogen sensor 1 and continues to warm the inner wall of the hydrogen sensor 1, so that the inner wall temperature of the hydrogen sensor 1 is shunted at the branch inlet. It becomes possible to make the temperature higher than the exhaust gas temperature. Therefore, even if the shunt exhaust gas introduced into the hydrogen sensor 1 touches the inner wall of the hydrogen sensor 1, it is possible to prevent the occurrence of condensation.
また、主排気配管2に主排気配管2に比べて細い分岐配管3を連結し、かつ分岐配管3に冷却手段5の金属メッシュ等を設けることで、分岐配管3の圧力損失が大きくなり、所望の流量(結露防止の目的から、水素検知の時間遅れが所定の許容時間内となるような小流量)が流れないことが想定される。
Further, by connecting a branch pipe 3 that is thinner than the
このような現象を防ぐために、分岐入口より下流側の主排気配管2にに管路圧力損失調整用バルブ7を設け、この管路圧力損失調整用バルブ7の開度を調整することで主排気配管2で圧力損失を行う。すなわち、主排気配管2に設けられた圧力センサ8、ならびに分岐配管3の分岐入口に設けられた圧力センサ9によってモニタされた両圧力の差(圧力損失の差)に基づいて、管路圧力損失調整用バルブ7の開度を追従変化させ、常時分岐配管3に小流量の分流排気ガスを流し続ける。これにより、主排気配管2から分岐配管3に所望の流量の分流排気ガスを流すことが可能となる。
In order to prevent such a phenomenon, the
図4は本発明の実施例2に係る燃料電池システムにおける、水素センサが設置された周辺の構成を示す図である。図4に示す実施例2の特徴とするところは、実施例1に比べて、実施例1の分岐配管3に代えて、主排気配管2を流通する排気ガスから検知用サンプルガスとなる拡散排気ガスを水素センサ1に導く袋小路の導入路21(分岐路)を主排気配管2に設けたことにある。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration around a hydrogen sensor installed in the fuel cell system according to Example 2 of the present invention. The feature of the second embodiment shown in FIG. 4 is that, compared to the first embodiment, instead of the branch pipe 3 of the first embodiment, the diffusion exhaust gas that becomes the detection sample gas from the exhaust gas flowing through the
この導入路21は、袋小路の終端部に水素センサ1が設けられ、主排気配管2から水素センサ1に至る導入路21の途中に、冷却手段として冷却フィン22が設けられている。主排気配管2を流通する排気ガスは、自然拡散により導入路21に導入され、導入された拡散排気ガスは、冷却フィン22により水素センサ1における内部壁温度付近まで冷却され、冷却された拡散排気ガスは、水素センサ1に到達して水素センサ1に導入される。
The
このような実施例2においては、自然拡散により水素センサ1に検知用サンプルガスを導入するため、実施例1のように検知用のサンプルガスを所望の小流量に維持するための手段を必要としない。 In the second embodiment, since the detection sample gas is introduced into the hydrogen sensor 1 by natural diffusion, a means for maintaining the detection sample gas at a desired small flow rate as in the first embodiment is required. do not do.
また、自然拡散に依存するため検知用サンプルガスの流量は非常に少ないことから、結露量も必然的に少なくなる。さらに、冷却フィン22を通過する検知用サンプルガスは、非常に少ない流量であるため、冷却効率も高くなる。このため、検知用サンプルガスは、水素センサ1における内部壁温度近くまで速やかに冷却され、水素センサ1における内部壁を加熱しなくとも、結露を抑えることが可能となる。これらにより、小型で簡素な構成で、結露の発生を防止することができる。
Further, since it depends on natural diffusion, the flow rate of the sample gas for detection is very small, so the amount of condensation is inevitably reduced. Furthermore, since the detection sample gas passing through the cooling
図5は本発明の実施例3に係る燃料電池システムにおける、水素センサが設置された周辺の構成を示す図である。図5に示す実施例3の特徴とするところは、実施例2に比べて、水素センサ1に外付けのヒータ31を取り付け、冷却手段として冷却フィン22に代えて金属メッシュ32を設けたことにある。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration around a hydrogen sensor installed in the fuel cell system according to Example 3 of the present invention. The feature of the third embodiment shown in FIG. 5 is that, compared to the second embodiment, an
主排気配管2を流通する排気ガスは、実施例2と同様に自然拡散により導入路21に導入され、導入された拡散排気ガスは、金属メッシュ32により水素センサ1における内部壁温度付近まで冷却され、冷却された拡散排気ガスは、外付けのヒータ31により加熱されて温められた水素センサ1に到達して水素センサ1に導入される。
The exhaust gas flowing through the
このような実施例3においては、先の実施例2で説明したように、検知用サンプルガスを冷却手段で冷却しただけでは故障限界結露量に達してしまうような、起動直後からの排気ガス温度の上昇速度が速いような燃料電池システムにおいて有効に機能する。すなわち、導入路21に導入された検知用サンプルガスの温度を金属メッシュ32で水素センサ1における内部壁温度近くまで冷却し、かつ水素センサ1を外付けヒータ31で加熱して温めることで、検知用サンプルガス温度は常に水素センサ1における内部壁温度よりも低く維持することが可能となる。これにより、排気ガス温度の上昇が早いシステムであっても、結露の発生を防止することができる。
In the third embodiment, as described in the second embodiment, the exhaust gas temperature immediately after the start-up is such that the detection limit gas reaches the failure limit condensation amount only by cooling with the cooling means. It functions effectively in a fuel cell system in which the rising speed of the fuel cell is high. That is, the temperature of the sample gas for detection introduced into the
なお、上記実施例3において、冷却手段の金属メッシュ32と水素センサ1との間の導入路21に、導入された検知用サンプルガスを加熱する、例えば実施例1で説明したリボンヒータで構成された加熱手段を設けるようにしてもよい。この場合には、実施例1と同様に、加熱手段で加熱された検知用サンプルガスにより水素センサ1における内部壁が温めるられので、水素センサ1における内部壁温度の上昇速度を高めることができる。
In the third embodiment, the detection sample gas introduced into the
1…水素センサ
2…主排気配管
3…分岐配管
4…遮断用バルブ
5…冷却手段
6…加熱手段
7…管路圧力損失調整用バルブ
8,9…圧力センサ
10,11…温度センサ
21…導入路
22…冷却フィン
31…ヒータ
32…金属メッシュ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (6)
前記排気ガスを外部に排気する主排気配管に分岐して設けられ、前記主排気配管から分流した被検知排気ガスを前記水素センサに導入する分岐路と、
前記分岐路に設けられ、前記主排気配管から前記分岐路に分流して前記水素センサに導入される被検知排気ガスを冷却する冷却手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A hydrogen sensor for detecting hydrogen contained in exhaust gas exhausted from a fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen of fuel gas and oxidant gas;
A branch path provided to branch to a main exhaust pipe for exhausting the exhaust gas to the outside, and introducing the detected exhaust gas diverted from the main exhaust pipe to the hydrogen sensor;
A fuel cell system comprising: cooling means provided in the branch path, for cooling the detected exhaust gas that is branched from the main exhaust pipe to the branch path and introduced into the hydrogen sensor.
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein heating means for heating the detected exhaust gas cooled by the cooling means is provided in the branch path downstream of the cooling means.
ことを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein a shut-off means for shutting off the detected exhaust gas that is branched from the main exhaust pipe to the branch path is provided at the most upstream part of the branch path.
ことを特徴とする請求項1,2及び3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The said cooling means cools the to-be-detected exhaust gas branched into the said branching path to temperature lower than the internal wall temperature of the said hydrogen sensor, The one of Claim 1, 2 and 3 characterized by the above-mentioned. Fuel cell system.
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the heating means heats the detected exhaust gas cooled by the cooling means to a temperature higher than the temperature of the exhaust gas at the branch inlet of the branch path.
前記分岐路の分岐入口に設けられ、前記分岐路に分流する被検知排気ガスの圧力を測定する第1の圧力測定手段と、
前記調整手段と前記分岐路の分岐入口との間の前記主排気配管に設けられ、前記圧力調整手段の上流の排気ガスの圧力を測定する第2の圧力測定手段とを備え、
前記第1ならびに第2の圧力測定手段で測定された圧力に基づいて、前記圧力調整手段で前記主排気配管を流通する排気ガスの圧力を調整し、前記分岐路に分流する被検知排気ガスの流量を制御する
ことを特徴とする請求項1,2,3,4及び5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A pressure adjusting means provided in the main exhaust pipe downstream from the branch inlet of the branch path, for adjusting the pressure of the exhaust gas in the main exhaust pipe;
A first pressure measuring means provided at a branch inlet of the branch path, for measuring the pressure of the detected exhaust gas that branches into the branch path;
A second pressure measuring means provided in the main exhaust pipe between the adjusting means and the branch inlet of the branch path, and measuring a pressure of the exhaust gas upstream of the pressure adjusting means;
Based on the pressure measured by the first and second pressure measuring means, the pressure adjusting means adjusts the pressure of the exhaust gas flowing through the main exhaust pipe, and the detected exhaust gas to be diverted to the branch passage. The fuel cell system according to any one of claims 1, 2, 3, 4 and 5, wherein the flow rate is controlled.
Priority Applications (1)
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JP2004172425A JP2005353397A (en) | 2004-06-10 | 2004-06-10 | Fuel cell system |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2007200602A (en) * | 2006-01-24 | 2007-08-09 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
-
2004
- 2004-06-10 JP JP2004172425A patent/JP2005353397A/en not_active Withdrawn
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