JP2006134643A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池本体１から空気排気路５により排出されるカソードオフガス中の水素を検知するに際して、水素センサ１３の結露防止による検知精度の向上、および水素センサ１３が高湿潤オフガス環境下に常時置かれることを防止して劣化低減を図る。
【解決手段】 空気排気路（ガス主流路）５にベンチュリ部１１を設け、ベンチュリ部１１から分岐する分岐路１２を設け、分岐路１２に水素センサ１３を設置する。空気排気路（ガス主流路）５の下流側にバルブ１４を設ける。そして、水素センサ１３による水素検知時にバルブ１４を閉じ、非検知時にはバルブ１４を開く。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池本体から排出されるガス中の特性成分濃度を検知する成分濃度検知器の検知精度向上と長寿命化とを図る技術に関する。

例えば固体高分子形燃料電池は、水素イオンを通す固体高分子電解質膜をアノード（燃料極）とカソード（空気極）とで挟んで形成したセルを複数積層して構成したスタック（燃料電池本体）を備えており、アノードには燃料として水素が、カソードには酸化剤として空気がそれぞれ供給され、アノード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を透過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。

このような燃料電池では、カソード側への水素の漏洩を検知した場合に燃料の供給を停止するといった安全対策のため、カソード側の排出系に、水素検知器（例えばガス接触燃焼式の水素センサ）を設けて、カソードオフガス（カソードから排出される反応済みの空気）中の水素濃度を検知するようにしている。
この場合、特許文献１に開示されているように、カソード側の排出系に、ガス主流路から分岐するセンシング用の副流路（バイパス路）を設け、この副流路に水素検知器を設置することによって、流量による検知誤差を小さくすることが知られている。また、特許文献２に開示されているように、カソード側の排出系に設けられる水素検出器の上流に除湿装置を設けて、カソードオフガス中の水分を除去することにより、水素検知器の結露を防止することも知られている。
特開２００３−２９７４０３号公報 特開２００４−０７１２５１号公報

ところで、前記固体高分子形燃料電池においては、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、反応ガスは加湿された状態で供給され、また発電時には電気化学反応による反応生成水が生成されるため、燃料電池本体から排出されるガスは高湿潤状態となる。
このため、特許文献１のようにセンシング用の副流路を設けただけでは、水素検知器に結露を生じやすく、特にガス接触燃焼式の水素センサに結露を生じた場合には、検知精度の低下や、素子破壊を生じたり、劣化速度が大きくなるといった問題点があった。

また、特許文献２のように除湿装置を設けるものでは、カソードオフガスラインに熱交換器等を設置する必要からシステムの大型化を招き、また除湿に必要な冷却媒体を常時ポンプ等で循環させる必要から消費電力が大きくなるといった問題点があった。
本発明は、このような実状に鑑み、燃料電池本体から排出されるガス中の特性成分濃度を検知するに際して、成分濃度検知器の結露防止による検知精度の向上、および成分濃度検知器が高湿潤オフガス環境下に常時置かれることを防止して劣化低減を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

このため、本発明では、燃料電池本体に供給したガスが排出されるガス主流路から分岐する分岐路に、成分濃度検知器を設置する一方、前記ガス主流路と前記分岐路とに排出ガスの流れを切替可能な切替装置を設け、成分濃度検知時には前記成分濃度検知器に排出ガスが流れるように、非検知時には前記成分濃度検知器に排出ガスが流れにくくなるように前記切替装置を切替える構成とする。

本発明によれば、成分濃度検知器の結露による検知精度の低下、および成分濃度検知器が高湿潤環境下に長時間置かれることによる劣化を防止することができる。従って、特に高湿潤カソードオフガスの水素検知において有用である。さらに、ガス接触燃焼式の水素センサにも適応できる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、ダイレクト水素型燃料電池から排出された高湿潤カソードオフガス中の水素を検知する例で説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示すシステム構成図である。
燃料電池本体１は、固体高分子電解質膜をアノード（燃料極）とカソード（空気極）とで挟んで形成したセルを複数積層して構成したスタックからなる。

この燃料電池本体１のアノードには、燃料として、水素供給路２から水素が供給され、カソードには、酸化剤として、空気供給路３から空気が供給される。アノードで触媒反応により発生した水素イオンは、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、酸素と電気化学反応を起こして発電し、生成水を生成する。アノード側の未反応の水素はオフガスとして水素循環路４より排出され、水素供給路２へ再び戻されて再利用される。カソード側の反応済みの空気はオフガスとして空気排気路５より大気中へ排出される。また、空気排気路５には流量制御弁６が設置されており、燃料電池の要求負荷に応じて空気流量を制御することができる。

ここにおいて、アノード側からカソード側への水素の漏洩を検知した場合に燃料の供給を停止するといった安全対策のため、空気排気路５（流量制御弁６の下流）に水素検知システム１０を設けている。
この水素検知システム１０は、カソードオフガスのガス主流路である空気排気路５の流量制御弁６より下流位置に設けたベンチュリ部１１と、ベンチュリ部１１から分岐し末端にて大気に開放される分岐路１２と、分岐路１２内に検知部１３ａを臨ませて配置した成分濃度検知器としてのガス接触燃焼式の水素センサ１３と、空気排気路（ガス主流路）５の下流側に設けたバルブ（開閉弁）１４と、バルブ１４の開閉を制御する制御装置２０とを含んで構成される。制御装置２０は、水素センサ１３による水素濃度の検知時にバルブ１４を閉じる。

尚、図２は、カソードオフガス圧力を一定としたときの、オフガス流量と、ベンチュリ部に負圧を発生させて分岐路に外気を吸入することができるベンチュリ部の必要絞り径との関係を示した図である。ベンチュリ部の絞りの設置場所を空気排気路での圧力損失によりカソードオフガス圧力が減少したところに設定することにより、必要絞り径は大きくすることができる。必要絞り径を大きくすることにより、定格運転時にベンチュリ部へ供給されるオフガス圧力を下げることができるので、空気コンプレッサの負荷を小さくすることができる。

この水素検知システム１０では、カソードオフガス中の水素検知を行う時は、空気排気路（ガス主流路）５に設けたバルブ１４を閉とすることにより、カソードオフガスが水素センサ１３が設置された分岐路１２に流れるようになり、カソードオフガス中の水素検知を行うことができる。
また、カソードオフガス中の水素検知を行わない時は、空気排気路（ガス主流路）５に設けたバルブ１４を開とすることにより、カソードオフガスは空気排気路（ガス主流路）５をそのまま流れて排出される。このとき、空気排気路（ガス主流路）５に設けたベンチュリ部１１に負圧が発生することで、分岐路１２内の圧力は低下し、分岐路１２に大気開放口側から外気（空気）を吸入するので、分岐路１２に設置された水素センサ１３が高湿潤のカソードオフガス下に長時間置かれることを防ぐことができ、劣化速度を小さくすることができる。また、水素センサ１３に結露が生じた場合においても、水素センサ１３が設置される分岐路１２内に外気（空気）を吸入することで、水素センサ１３の検知部１３ａを乾燥させることができるので、検知精度の向上、および劣化速度の低減を図ることができる。

次に、図３は本発明の第２実施形態を示すシステム構成図である。第２実施形態の水素検知システム１０が第１実施形態のものと相違する点は以下の通りである。
第２実施形態では、水素センサ１３を備えた分岐路１２の下流側にバルブ（開閉弁）１５が設けられており、空気排気路（ガス主流路）５の下流側にはバルブは設けられていない。制御装置２０は、バルブ１５の開閉を制御し、水素センサ１３による水素濃度の検知時にバルブ１５を閉じる。

この水素検知システム１０では、カソードオフガス中の水素検知を行う時は、分岐路１２に設けたバルブ１５を閉とすることにより、分岐路１２を閉塞管とし、水素ガスの高い拡散性により、水素センサ１３にて水素検知を行うことができる。尚、水素センサ１３において、水素検知時の応答性を上げたい場合は、水素センサ１３を分岐路１２における分岐部の近傍に設置すればよい。

また、カソードオフガス中の水素検知を行わない時は、バルブ１５を開とすることにより、分岐路１２を大気に開放する。このとき、空気排気路（ガス主流路）５に設けたベンチュリ部１１に負圧が発生することで、分岐路１２内の圧力は低下し、分岐路１２に大気開放口側から外気（空気）を吸入するので、分岐路１２に設置された水素センサ１３が高湿潤のカソードオフガス下に長時間置かれることを防ぐことができ、劣化速度を小さくすることができる。また、水素センサ１３に結露が生じた場合においても、水素センサ１３が設置される分岐路１２内に外気（空気）を吸入することで、水素センサ１３の検知部１３ａを乾燥させることができるので、検知精度の向上、および劣化速度の低減を図ることができる。

次に、図４は本発明の第３実施形態を示すシステム構成図である。第３実施形態の水素検知システム１０が第１および第２実施形態のものと相違する点は以下の通りである。
第３実施形態では、空気排気路（ガス主流路）５にベンチュリ部を設けることなく、分岐路１２を設け、空気排気路（ガス主流路）５と、水素センサ１３を備えた分岐路１２とに、カソードオフガスの流れを切替可能な切替装置として、分岐部に、三方弁１６を設けている。制御装置２０は、三方弁１６を切替制御し、水素センサ１３による水素濃度の検知時に分岐路１２側を選択する。

この水素検知システム１０では、カソオードオフガス中の水素検知を行う時は、三方弁１６を、水素センサ１３が設置されている分岐路１２側へ切替えることにより、カソードオフガスが水素センサ１３が設置されている分岐路１２に流れるようになり、カソードオフガス中の水素検知を行うことができる。
また、カソードオフガス中の水素検知を行わない時は、三方弁１６を、空気排気路（ガス主流路）５側へ切替えることにより、カソードオフガスは空気排気路（ガス主流路）５をそのまま流れて排出される。従って、水素センサ１３が設置された分岐路１２へは、カソードオフガスが流れなくなるため、水素センサ１３が高湿潤環境下に長時間置かれることを防止することができ、劣化速度を下げることができる。

次に、図５は本発明の第４実施形態を示すシステム構成図である。第４実施形態の水素検知システム１０が第１実施形態のものと相違する点は以下の通りである。
第４実施形態では、ベンチュリ部を設ける代わりに、空気排気路（ガス主流路）５に備えられて燃料電池本体１に供給する空気流量を制御する流量制御弁６を利用し、空気排気路（ガス主流路）５における流量制御弁６の下流側で、かつ流量制御弁６の近傍位置を、負圧発生部とし、ここから分岐路１２を分岐させている。そして、第１実施形態と同様、空気排気路（ガス主流路）５の下流側にバルブ（開閉弁）１４を設けている。

この水素検知システム１０では、カソードオフガス中の水素検知を行う時は、空気排気路（ガス主流路）５に設けたバルブ１４を閉とすることにより、カソードオフガスが水素センサ１３が設置された分岐路１２に流れるようになり、カソードオフガス中の水素検知を行うことができる。
また、カソードオフガス中の水素検知を行わない時は、空気排気路（ガス主流路）５に設けたバルブ１４を開とすることにより、カソードオフガスは空気排気路（ガス主流路）５をそのまま流れて排出される。このとき、空気排気路（ガス主流路）５に設置された流量制御弁６は、カソードオフガスに縮流を起こし、絞りによる圧力降下により分岐路１２内の圧力が下がり、分岐路１２に大気開放口側から外気（空気）を吸入する。これにより、分岐路１２に設置された水素センサ１３が高湿潤のカソードオフガス下に長時間置かれることを防ぐことができ、劣化速度を小さくすることができる。また、水素センサ１３に結露が生じた場合においても、水素センサ１３が設置される分岐路１２内に外気（空気）を吸入することで、水素センサ１３の検知部１３ａを乾燥させることができるので、検知精度の向上、および劣化速度の低減を図ることができる。

次に、図６は本発明の第５実施形態を示すシステム構成図である。第５実施形態の水素検知システム１０が第２実施形態のものと相違する点は以下の通りである。
第５実施形態では、ベンチュリ部を設ける代わりに、空気排気路（ガス主流路）５に備えられて燃料電池本体１に供給する空気流量を制御する流量制御弁６を利用し、空気排気路（ガス主流路）５における流量制御弁６の下流側で、かつ流量制御弁６の近傍位置を、負圧発生部とし、ここから分岐路１２を分岐させている。そして、第２実施形態と同様、水素センサ１３を備える分岐路１２の下流側にバルブ（開閉弁）１５を設けている。

この水素検知システム１０では、カソードオフガス中の水素検知を行う時は、分岐路１２に設けたバルブ１５を閉とすることにより、分岐路１２を閉塞管とし、水素ガスの高い拡散性により、水素センサ１３にて水素検知を行うことができる。尚、水素センサ１３において、水素検知時の応答性を上げたい場合は、水素センサ１３を分岐路１２における分岐部の近傍に設置すればよい。

また、カソードオフガス中の水素検知を行わない時は、バルブ１５を開とすることにより、分岐路１２を大気に開放する。このとき、空気排気路（ガス主通路）５に設置された流量制御弁６は、カソードオフガスに縮流を起こし、絞りによる圧力降下により分岐路１２内の圧力が下がり、分岐路１２に大気開放口側から外気（空気）を吸入する。これにより、分岐路１２に設置された水素センサ１３が高湿潤のカソードオフガス下に長時間置かれることを防ぐことができ、劣化速度を小さくすることができる。また、水素センサ１３に結露が生じた場合においても、水素センサ１３が設置される分岐路１２内に外気（空気）を吸入することで、水素センサ１３の検知部１３ａを乾燥させることができるので、検知精度の向上、および劣化速度の低減を図ることができる。

以上説明した第１〜第５実施形態によれば、水素センサ１３の結露による水素検知精度の低下、および水素センサ１３がカソードオフガスの高湿潤環境下に長時間置かれることによる劣化を防止することができる。
また、切替装置として、ガス主流路５であって分岐路１２への分岐部より下流に設けられたバルブ１４（第１、第４実施形態）、又は、分岐路１２であって水素センサ１３より下流に設けられたバルブ１５（第２、第４実施形態）、又は、ガス主流路５と分岐路１２との分岐部に設けられた三方弁１６（第３実施形態）を用いればよいので、従来の除湿装置などを用いるものに比べ、小電力で実施することができる。

また、第１、第２、第４、第５実施形態によれば、ガス主流路５の負圧発生部近傍から分岐路１２を分岐することにより、分岐路１２内の水素センサ１３に結露が生じた場合においても、負圧吸引効果により分岐路１２に外気を導入することで、水素センサ１３を乾燥させることができる。
また、第１、第２実施形態によれば、ガス主流路５にベンチュリ部１１を設けて、負圧発生部を形成することにより、簡易な構成で、確実に負圧を発生させることができる。

また、第４、第５実施形態によれば、ガス主流路５に備えられて燃料電池本体１に供給するガス量を制御する流量制御弁６を利用して、ガス主流路５の流量制御弁６近傍位置を、負圧発生部とすることにより、追加構成を必要とせず、流量制御弁６は検査対象ガス流量に応じた開度となり、検査対象ガスに縮流を作るので、絞りによる圧力降下の効果により、検査対象ガス流量変化の影響による外気導入量の変動を小さくすることができる。

尚、第１〜第５実施形態の水素検知システムを用いることにより、例えば、水素置換された燃料電池アノード極から起動時に排出され、燃焼器で燃焼されなかった未燃焼水素の検知、急加速等の急激な負荷上昇時の水素供給圧の上昇における電解質膜の膜破れによる水素洩れの検知、またアノード循環路において運転中に循環路中に蓄積される窒素ガスのパージ時における水素排出量の検知を行うことができる。

また、第１〜第５実施形態の水素検知システムにおいて、予め実験にて把握した水素センサが結露しない間隔、あるいは結露が発生しても空気を供給することにより水素センサを乾燥できる間隔で、切替装置としてのバルブ１４、１５、１６を切替えることにより、水素センサの劣化速度を抑えた状態で略連続的に水素濃度を検知することができる。

本発明の第１実施形態を示すシステム構成図 オフガス圧力一定条件下におけるオフガス流量と必要絞り径との関係を示す図 本発明の第２実施形態を示すシステム構成図 本発明の第３実施形態を示すシステム構成図 本発明の第２実施形態を示すシステム構成図 本発明の第３実施形態を示すシステム構成図

符号の説明

１ 燃料電池本体（スタック）
２ 水素供給路
３ 空気供給路
４ 水素循環路
５ 空気排気路（ガス主通路）
６ 流量制御弁
１０ 水素検知システム
１１ ベンチュリ部
１２ 分岐路
１３ 水素センサ
１３ａ 検知部
１４ バルブ（開閉弁）
１５ バルブ（開閉弁）
１６ 三方弁
２０ 制御装置

Claims (7)

1. 燃料電池本体と、前記燃料電池本体に供給したガスが排出されるガス主流路と、前記ガス主流路から分岐する分岐路と、前記分岐路に設置され排出ガス中の特性成分濃度を検知する成分濃度検知器と、前記ガス主流路と前記分岐路とに排出ガスの流れを切替可能な切替装置と、成分濃度検知時には前記成分濃度検知器に排出ガスが流れるように、非検知時には前記成分濃度検知器に排出ガスが流れにくくなるように前記切替装置を切替える制御装置と、を備える燃料電池システム。
2. 前記切替装置は、前記ガス主流路であって前記分岐路への分岐部より下流に設けられたバルブであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記切替装置は、前記分岐路であって前記成分濃度検知器より下流に設けられたバルブであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記切替装置は、前記ガス主流路と前記分岐路との分岐部に設けられた三方弁であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記ガス主流路の負圧発生部近傍から前記分岐路を分岐することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス主流路にベンチュリ部を設けて、前記負圧発生部を形成することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記ガス主流路に前記燃料電池本体に供給するガス量を制御する流量制御弁を備え、前記ガス主流路の前記流量制御弁近傍位置を、前記負圧発生部とすることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。

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