JP2006252968A - 燃料電池を用いた給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を用いた給電装置におけるアノードの不純物排出操作を積極的に利用して水素センサーの動作確認や零点補正を行うこと。
【解決手段】燃料電池のアノード室１４に水素を循環的に供給するとともに、アノード室１４をパージし、パージされた気体を所定の希釈率で排出管に排出して発電を行い、また排出管３３に水素センサー２９を配置して水素の濃度を監視する手段を備えた燃料電池を用いた給電装置において、パージの操作前及び操作後における水素センサー２９からの出力に基づいて水素センサー２９の動作状態の検知と零点シフトの補正を実行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の排気系に排出される水素の濃度を監視する機能を備えた給電装置、より詳細には水素の濃度を検出する水素センサーの監視、及び零点補正に関する。

燃料電池を用いた給電装置は、燃料電池の固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込み、カソード室には新鮮な空気を、またアノード室には水素を循環的に供給して発電するとともに、カソード室から排出された気体に含まれる水素が爆発下限界以下であることを、ここに配置された水素センサーにより確認するように構成されている。
この水素センサーは、燃料電池を安全に運転する上で極めて重要な要素であるため、例えば特許文献１に記載されているように適宜のタイミングで故障の有無を検出することが行われている。
すなわち、空気オフガスが流通するガス流路に水素の検出が可能なガス検出手段を備えたシステムにおいて、所定のタイミングで基準ガス、つまり所定濃度の水素をカソード側の排気系の、ガス検出手段よりも上流側に供給し、所定の出力が得られるか否かによりガス検出手段の故障の有無を判定するように構成されている。
一方、アノードに窒素等の不純物が供給されると、燃料電池の出力特性が低下するため、特許文献２に見られるように、アノードに水素を供給するために構成された循環系を一定時間毎にパージすることが必要である。この際、安全性を確保するため、大気に放出する水素の濃度を爆発下限界、通常４ｖｏｌ％以下の規定濃度に希釈するとともに、その濃度を監視するため、アノード側の排気系統に水素センサーが配置されている。
特開2003-302362号公報

一方、水素を検出する場合には、ヒータに酸化触媒層を形成した接触燃焼式ガスセンサーが使用されるが、防爆上の理由から金属粉体を焼結して構成された消炎フィルタを介して被検ガスを取り込むように構成されている。他方、一般的に燃料電池の排気系から排出される気体は、高温多湿であるため消炎フィルタで結露が生じて被検ガスの検出が不可能になったり、センサーの零点をマイナス側に変動させて排気される水素の濃度を低めに見積もるなどの問題がある。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、燃料電池を用いた給電装置におけるアノードの不純物排出操作を積極的に利用して水素センサーの動作確認や零点補正を行うことができる燃料電池を用いた発電装置を提供することである。

このような課題を達成するために本発明においては、燃料電池のアノード室に水素を循環的に供給するとともに、前記アノード室をパージし、パージされた気体を所定の希釈率で排出管に排出して発電を行い、また前記排出管に水素センサーを配置して水素の濃度を監視する手段を備えた燃料電池を用いた給電装置において、前記パージの操作前及び操作後における前記水素センサーからの出力に基づいて前記水素センサーの動作状態の検知と零点シフトの補正を実行する。

給電装置の設備や操作を積極的に利用して水素センサーのチェックや零点補正できるため、水素センサーに外部から基準ガスを供給するなどの操作が不要となり、水素センサーの取り付け位置にかかわりなく、水素センサーを容易にチェックすることができる。

図１は、本発明の燃料電池を用いた給電装置の一実施例を示すものであって、燃料電池１０のカソード室１１には、空気供給管１２、及び空気オフガス排出管１３が、またアノード室１４には水素供給管１５と水素戻り管１６とが接続され、水素戻り管１６と水素供給管１５とはエジェクタ１７を介して接続され、水素循環路が形成されている。

水素循環路は、三方バルブ１８により循環路と、排出路とに切り替え可能に形成されている。希釈装置２０は、その希釈空気流入口２１に分岐部２２により空気オフガス管１３に接続された枝管２４が流量制御弁２５を介して接続され、希釈装置２０の非希釈流体流入口２６には三方バルブ１８を介して水素循環路が接続されている。

希釈装置２０の排出口２７よりも下流で、かつ空気オフガス排出管１３との接続部２８よりも上流側には水素センサー２９が配置されている。なお、図中符号３２は、元弁を示す。

水素センサー２９は、図２に示したように周知の接触燃焼式ガス検知素子４０を、ガス取り入れ口４１ａに消炎フィルタ４２が装着されたケース４１に収容して構成されている。

制御装置３０は、三方弁１８と制御弁２５を適宜に操作して水素貯蔵容器３１からのアノード室１４に供給されている水素をエジェクタ１７を介して循環させて発電する一方、アノード室１４に所定濃度の不純物が混入した時点で三方バルブ１８を切り替えて循環路を断ってアノード室１４を希釈装置２０に接続するとともに、流量制御弁２５を開弁してカソード室１１を経由させて希釈装置２０に空気を流入させ、さらに水素センサー２９の動作確認や零点補正を行うように制御する機能を備えている。

このように構成された装置は、常時は、アノード室１４に水素を循環させた状態で水素を供給し、またカソード室１１には新しい空気を供給しつつ空気オフガスを空気オフガス排出管１３に排出した状態で運転される。
運転時間が所定時間継続してアノード室１４の不純物の濃度が所定値となる時点で、三方弁１８を切り替えてアノード室１４の気体を希釈装置２０にパージする。希釈装置２０は、水素の濃度が爆発下限界以下となるように予め定められた希釈率となるように制御弁２５の弁開度を調整して希釈してから水素センサー２９が設けられている管３３に排出する。

この時点で水素センサー２９が正常に作動している場合には水素センサー２９から水素の濃度に対応した信号が出力するが、消炎フィルタ４２に結露が生じて水素センサー２９のガス取り入れ口４１ａが封鎖されている場合には不純物の排気操作にかかわらず、水素センサー２９の出力信号に変化は生じない。

このように不純物の排気操作に対応して水素センサー２９からの信号に変化が無い場合には、消炎フィルタ４２が結露により閉塞されているか、最悪の場合には接触燃焼式ガス検知素子４０が故障しているので、制御装置３０が警報を発する。

一方、不純物の排気操作に対応して水素センサー２９の信号が変化した場合には、少なくとも接触燃焼式ガス検知素子４０が作動しているものの、消炎フィルタ４２が部分的に結露して一部が閉塞されて見かけ上、零点がマイナス側にシフトしている可能性がある。

ところで、不純物の排気操作では水素を規定の希釈率で希釈するとともに、アノード室１４の水素濃度はほぼ一定、つまり通常は不純物の発生は極わずかであるから、管３３に排出される水素の濃度はほぼ規定の値、つまり爆発下限界（４ｖｏｌ％）以下の一定値である。

したがって、規定の値と水素センサー２９により検出された水素の濃度値との差分は、水素センサー２９の零点ドリフトに起因すると考えられるので、この差分に基づいて零点ドリフトの補正を、接触燃焼式ガス検知素子４０と一体に組み込まれてセンサー回路や、また制御手段３０の側で行うことができる。

なお、上述の実施例においては水素センサー２９を接触燃焼式ガス検知素子により構成する場合について説明したが、他の形式の水素検知素子を用いたものにも適用できることは明らかである。

本発明の一実施例を示す構成図である。 水素センサーの一実施例を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池 １１ カソード室 １２ 空気供給管 １３ 空気オフガス排出管 １４ アノード室 １５ 水素供給管 １６ 水素戻り管 １７ エジェクタ ２０ 希釈装置 ２１ 希釈空気流入口 ２５ 流量制御弁 ２６ 非希釈流体流入口 ２７ 排出口 ２９ 水素センサー ４２ 消炎フィルタ

Claims (1)

1. 燃料電池のアノード室に水素を循環的に供給するとともに、前記アノード室をパージし、パージされた気体を所定の希釈率で排出管に排出して発電を行い、また前記排出管に水素センサーを配置して水素の濃度を監視する手段を備えた燃料電池を用いた給電装置において、
   前記パージの操作前及び操作後における前記水素センサーからの出力に基づいて前記水素センサーの動作状態の検知と零点シフトの補正を実行することを特徴とする燃料電池を用いた給電装置。

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