JP2006147151A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池１から排気管４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８の劣化や結露を防止する。
【解決手段】 燃料電池１を収納する燃料電池ケース５内に供給されて燃料電池１を換気した後のガスが流れる燃料電池換気出口配管７を、排気管４に合流させる。燃料電池換気出口配管７に水素センサ８を設置し、その上流側に開閉弁９を設ける。そして、排気管４を流れるガスの水素濃度を検知するときに、開閉弁９を閉じる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池から排出されるガス中の特定成分濃度の検知技術に関する。

燃料電池システムの排出ガスについては、大気中に放出されるため、その成分濃度（特に水素濃度）を監視する必要がある。そのため、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。
しかし、水素検知器をカソードオフガスの排気管に設置すると、水素濃度が比較的高い検知対象ガスに常時さらされることになるため、水素検知器の寿命が短くなる。また、カソードオフガスには生成水等の水滴及び水蒸気が多量に含まれているため、水素検知器のの結露による破損、劣化、検知精度低下等の問題がある。

ここで、特許文献１には、カソードオフガスの排気管にセンシング用の副流路（バイパス管）を設け、この副流路に水素検知器を設置して、流量を制御することによって、水素検知器に最適な流量を流し、検知精度の向上を図るものが開示されている。このものでは、検知対象ガスの流量を制御できるため、水素検知器と検知対象ガスとの反応量を少なく抑えることができ、結果として水素検知器の寿命の延命を図ることができる。

また、特許文献２には、水素検知器（ガスセンサ）の上流側に隣接して検知対象ガスを加熱するヒータを設けることで、水素検知器の結露を防止し、水素検知器の破損、劣化、検知精度低下を防止することが開示されている。
特開２００３−２９７４０３号公報 特開２００４−０６９４３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、センシング用の副流路のガス流量を制御して、水素検知器の寿命を延ばすことはできるが、水素検知器に流れるガスが多量の水分を含むカソードオフガスであることに変わりはなく、流量を制御しても水素検知器の結露防止は不可能である。
また、特許文献２に記載の従来技術では、水素検知器の結露防止のためにヒータを用いる構成のため、新たなデバイスと電気エネルギとを必要とし、コスト高となる。

本発明は、このような実状に鑑み、燃料電池システムの排出ガス中の特定成分濃度を検知するに際し、燃料電池システム内のデバイスを利用して、成分濃度検知器の寿命延命と結露防止とを可能とす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、燃料電池を収納する燃料電池ケース内に供給されて燃料電池を換気するガスが、換気後であっても、検知対象ガスより相対的に乾燥したガスであることに着目し、燃料電池を換気した後のガスが流れる燃料電池換気出口管を、燃料電池の排気管に合流させた上で、燃料電池換気出口配管に、成分濃度検知器を設置し、その上流側に、ガスの流れを制御可能な流路制御装置を設置する。そして、排気管を流れるガスの特定成分濃度を検知するときに、燃料電池換気出口配管から成分濃度検知器を経て排気管へ流れるガス量を制限するように、流路制御装置を制御する構成とする。

本発明によれば、排気管を流れるガスの検知が必要な場合に、燃料電池換気出口配管から成分濃度検知器を経て排気管へ流れるガス量を制限することで、排気管を流れるガスの一部を成分濃度検知器に導けばよく、排気管を流れるガスの検知が不要な場合は、成分濃度検知器に燃料電池換気ガスを流すことで、成分濃度検知器が比較的高水素濃度でかつ高湿潤な排気管を流れるガスに常時触れないため、成分濃度検知器の寿命の延命と結露防止とを図ることができる。

また、燃料電池システムの燃料電池換気ガスを用いるので、新たなデバイスやエネルギを必要とせず、システムの簡素化とエネルギの効率的利用とを図ることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を示す構成図である。
燃料電池１は、例えば固体高分子形燃料電池であり、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（酸化剤極）とで挟み込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１のアノードには、燃料として、水素供給管２から水素が供給され、カソードには、酸化剤として、空気供給管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、カソードで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。カソード側の反応済みの空気は、オフガスとして、排気管４へ流れ、大気中へ排出される。

一方、燃料電池１を覆うように、これを収納する燃料電池ケース５が設けられ、燃料電池ケース５内には、燃料電池換気入口配管６から燃料電池換気ガスを供給するようにしている。燃料電池換気入口配管６は、空気供給管（燃料電池１のカソードに空気を供給するコンプレッサ下流の空気供給管）３から分岐させて設けてもよいし、空気等の換気ガスを燃料電池ケース５に供給するラインを新たに設けてもよい。そして、燃料電池１を換気した後のガスは、燃料電池換気出口配管７より排出するようにしている。

ここにおいて、燃料電池換気出口配管７は、その下流側端部にて、排気管４に合流させる。そして、燃料電池換気出口配管７の途中で、比較的排気管４への合流部に近い位置に、成分濃度検知器として、ガス接触燃焼式の水素センサ８を設置する。そして、燃料電池換気出口配管７の水素センサ８上流位置に、流路制御装置として、バタフライバルブなど、流路の開閉が可能な開閉弁９を設置する。この開閉弁９の開閉は、マイコン等の制御手段１０により制御し、制御手段１０では、開閉弁９の開閉状態に対応させて、水素センサ８の信号を読込むことにより、水素濃度を検知する。

この燃料電池システムでは、排気管４内の水素濃度を検知する時は、燃料電池換気出口配管７の開閉弁９を閉にすることで、燃料電池換気ガスが水素センサ８に流れないようにする。このとき、同時に燃料電池換気入口配管６から燃料電池ケース５への燃料電池換気ガスの供給を一時的に止める。この状態では、排気管４を流れるガスの一部が水素センサ８に導かれ、排気管４内の水素濃度を検知することができる。

排気管４内の水素濃度を検知しない時、あるいは、燃料電池換気出口配管７内の水素濃度を検知する時は、燃料電池換気出口配管７の開閉弁９を開にすることで、燃料電池換気ガスが水素センサ８に流れるようにする。この状態では、相対的に水素濃度が低くかつ乾燥した燃料電池換気ガスにより水素センサ８の劣化や結露を防止することができると共に、燃料電池換気出口配管７内の水素濃度を検知することが可能となる。

以上のように、排気管４内は燃料電池換気出口配管７内と比較して水素濃度が高いため、排気管４内の水素濃度を検知する時以外は、開閉弁９を開にして、燃料電池換気ガスを水素センサ８に供給することにより、水素センサ８が比較的水素濃度が高い排気管４内のガスに常時触れていることがないため、水素センサ８の劣化速度を抑えることができる。
また、排気管４を流れる燃料電池１の排出ガスは、システムの特性上、多量の水分を含んでいるが、燃料電池換気出口配管７内のガスは、燃料電池１の発熱により温められた高温で乾燥したガスのため、排気管４内の水素濃度を検知する時以外は、水素センサ８の周辺ガスを高温・乾燥ガスに維持することができる。その結果、水素センサ８の結露防止効果があり、低温環境下等の結露しやすい環境下で使用された場合でも燃料電池換気ガスを選択的に供給することで、多量の水分を含むガスを遮断でき、結露を未然に防止することができる。

また、燃料電池換気ガスを利用することで、燃料電池１の熱を水素センサ８の加熱に利用するので、デバイスの追加や加熱のためのエネルギを必要としないため、システムの簡素化とエネルギの効率的利用とを図ることができる。また、燃料電池１に供給するコンプレッサで圧縮された一部のガス（空気）を燃料電池１の換気に用いれば、これを水素センサ８に流すことで、低温起動時等に水素センサ８の暖機を促進することができる。

更に、排気管４内の水素濃度を検知しない時は、燃料電池換気出口配管７内の水素濃度を検知することが可能となり、その結果、１つの水素センサ８で、排気管４内の水素濃度と、燃料電池換気出口配管７内の水素濃度とを、必要に応じ、選択的に検知することも可能となる。
図２は本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を示す構成図である。

第２実施形態では、第１実施形態に対し、燃料電池換気出口配管７の開閉弁９上流側と、排気管４とを、水素センサ８をバイパスして繋ぐバイパス管１１を追加している。
第１実施形態では、排気管４内の水素濃度の検知する際に、燃料電池換気出口配管７の開閉弁９を閉にするため、燃料電池換気ガスの供給を一時的に停止する必要があるが、この点、第２実施形態では、燃料電池換気出口配管７の開閉弁９を閉じても、燃料電池換気ガスをバイパス管９から排気管４へ放出できるため、燃料電池換気ガスの供給を停止することなく、第１実施形態の効果を得ることができる。すなわち、燃料電池ケース５の換気を止めることなく、排気管４内のガスの検知ができる。

水素センサ８は、バイパス管１１に設置することも可能であるが、バイパス管１１に開閉弁等の流路制御装置を設ける必要が生じ、大気へ放出される最終的な排気ガスは燃料電池換気ガスが排気管４へ合流した後のガスであるため、本実施形態のごとく構成して、燃料電池換気ガスの合流点より下流側に水素センサ８を設置することが望ましい。言い換えでは、本実施形態では、水素センサ８を備える燃料電池換気出口配管７の合流点より、バイパス管１１の合流点を上流側とすることにより、大気へ放出される最終的な排気ガスの水素濃度を検知することが可能となる。

バイパス管１１の配管径（通路面積）は、燃料電池換気出口配管７の配管径（通路面積）より小さくする。このようにすることで、バルブ等の新たな制御を追加することなく、燃料電池換気ガスを水素センサ８に効率よく流すことができる。この大小関係を遵守していれば、配管径比を目的に合わせて自由に決定することができる。例えば検知精度向上の観点から水素センサ８に最適な流量を流すための配管径比とすることも可能である。また、バイパス管１１に最適な径のオリフィスを設けることにより、配管径を調整するようにしてもよいことは言うまでもない。

尚、本実施形態では、流路制御装置として、バイパス管１１の分岐後の燃料電池換気出口配管７で、水素センサ８上流位置に、開閉弁９を設けているが、流路制御装置として、分岐部に三方弁を設けるようにしてもよい。三方弁を用いる場合は、燃料電池換気出口配管７とバイパス管１１の配管径について上記の関係を考慮する必要はない。
図３は本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を示す構成図である。

第３実施形態では、第２実施形態に対し、燃料電池換気出口配管７の水素センサ８の近傍に、結露検知手段１２を追加している。
結露検知手段１２としては、排気管４を流れるガスの湿度、特に排気管４を流れて水素センサ８に至るガスの湿度（燃料電池換気出口配管７内の水素センサ８下流側の湿度）を計測する湿度計、及び／又は、水素センサ８の温度を計測する温度計を用い、これらの信号を制御手段１０に入力する。

制御手段１０では、水素センサ８下流側近傍の湿度が所定湿度以上のとき、及び／又は、水素センサ８の温度が所定温度以下のときに、多量の水分を含む排気管４を流れるガスによって水温センサ８が結露しやすい条件であると判断し、かかる判断時は、水素センサ８による排気管４内の水素濃度の検知を止め、燃料電池換気出口配管７の開閉弁９を開いて、高温で乾燥した燃料電池換気ガスを水素センサ８に流し、水素センサ８の加熱、乾燥といったの保護動作を行わせる。

本実施形態のように、制御手段１０により、排気管４を流れるガスによって水素センサ８が結露しやすい条件では、燃料電池換気出口配管７のガスが水素センサ８を経て排気管４へ流れるように、開閉弁８を制御することにより、結露しやすい環境下で、多量の水分を含むガスによって水素センサ８が結露し始めた場合でも、燃料電池換気ガスの供給により結露防止が可能となり、その結果、水素センサ８の結露による破損、劣化、検知精度低下、更には検知不能といった事態を未然に防止することができる。

また、本実施形態では、排気管を流れるガスによって水素センサが結露しやすい条件は、少なくとも、水素センサ８近傍の湿度が所定湿度以上のとき、及び／又は、水素センサ８の温度が所定温度以下のときに、排気管４を流れるガスによって水素センサ８が結露しやすい条件と判断することで、結露の発生を確実に予測して、結露を未然に防止することができる。

尚、第１〜第３実施形態において、水素を検知する必要があるときとは、例えば以下のような場合がある。
１）システム運転圧がある一定値以上の時（例えば、急加速時などの高負荷運転では、運転圧が上昇するため、電解質膜が破れて水素リークする可能性があるため）
２）運転中に溜まってくる窒素をパージする時（窒素と一緒に水素が流出することが想定されるため）
３）起動時のアノード側の水素置換時（燃焼器等で処理できなかった水素が排気管に流れてくる可能性があるため）
もちろん、上記の場合に限らず、システムの要求に合わせて水素の検知を行えばよいことは言うまでもない。

本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を示す構成図 本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を示す構成図 本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を示す構成図

符号の説明

１ 燃料電池（スタック）
２ 水素供給管
３ 空気供給管
４ 排気管
５ 燃料電池ケース
６ 燃料電池換気入口配管
７ 燃料電池換気出口配管
８ 水素センサ
９ 開閉弁
１０ 制御手段
１１ バイパス管
１２ 結露検知手段

Claims (6)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池を収納する燃料電池ケースと、
   前記燃料電池に供給されたガスを外部に排出する排気管と、
   前記燃料電池ケース内に供給され前記燃料電池を換気した後のガスであって前記排気管を流れるガスより相対的に乾燥したガスが流れ、前記排気管に合流する燃料電池換気出口配管と、
   前記燃料電池換気出口配管に設置され特定成分濃度を検知する成分濃度検知器と、
   前記燃料電池換気出口配管における前記成分濃度検知器上流に設置されガスの流れを制御可能な流路制御装置と、
   前記排気管を流れるガスの特定成分濃度を検知するときに前記燃料電池換気出口配管から前記成分濃度検知器を経て前記排気管へ流れるガス量を制限するように前記流路制御装置を制御する制御手段と、
   を含んで構成される燃料電池システム。
2. 前記燃料電池換気出口配管における前記流路制御装置の上流側と、前記排気管とを、前記成分濃度検知器をバイパスして繋ぐバイパス管を設け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. 前記バイパス管の配管径を前記燃料電池換気配管の配管径よりも小さくすることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記排気管を流れるガスによって前記成分濃度検知器が結露しやすい条件では、前記燃料電池換気出口配管のガスが前記成分濃度検知器を経て前記排気管へ流れるように、前記流路制御装置を制御することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記排気管を流れるガスによって前記成分濃度検知器が結露しやすい条件は、少なくとも、前記排気管を流れるガスの湿度が所定湿度以上のときとすることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記排気管を流れるガスによって前記成分濃度検知器が結露しやすい条件は、少なくとも、前記成分濃度検知器の温度が所定温度以下のときとすることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の燃料電池システム。

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