JP2009099504A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】水素ガス検出器の取付部における騒音発生を防止する。
【解決手段】カソードガスおよびアノードガスを供給して発電を行う燃料電池と、燃料電池から排出されたカソードオフガスが流通する排気管37と、排気管37に設置され排気管37を流通する排出ガス中の水素ガスを検出する水素ガス検出器50と、を備えた燃料電池システムにおいて、排気管37の開口83に臨む水素ガス検出器50の底面53bの少なくとも一部を、排気管37の内周面81aの仮想延長面81bに合わせる。
【選択図】図6

Description

この発明は、燃料電池車両等に搭載される燃料電池システムに関するものである。
燃料電池には、アノード極に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード極に酸化剤ガスとして空気を供給することで、発電を行う燃料電池が知られている。
この種の燃料電池の保護システムが特許文献1に開示されている。この保護システムでは、燃料電池のカソード極側に配した酸化剤排出管に水素ガス検出器を設け、カソード極から排出される酸化剤ガス中に水素ガスが漏洩していないことをチェックし、万が一、水素ガスの漏洩を検知した場合には、燃料電池への燃料供給を遮断している(例えば、特許文献1参照)。
特開平6−223850号公報
ところで、前記水素ガス検出器の酸化剤排出管への取付構造として、酸化剤排出管から検知器取付管を垂直に立ち上げ、この検知器取付管に水素ガス検出器の検出部を挿入して、水素ガス検出器を検知器取付管に固定する構造が知られている。
このように水素ガス検出器を酸化剤排出管に取り付けた場合に、水素ガス検出器を取り付けた部分から気流音等の騒音が発生して、静粛性が低下する場合があった。
そこで、この発明は、特定ガス検知器を取り付けた部分からの騒音発生を防止することができる燃料電池システムを提供するものである。
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項1に係る発明は、カソードガスおよびアノードガスを供給して発電を行う燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池1)と、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが流通する排出ガス管路(例えば、後述する実施例における排気管37)と、前記排出ガス管路に設置され該排出ガス管路を流通する排出ガス中の特定ガス(例えば、後述する実施例における水素ガス)を検出する特定ガス検出器(例えば、後述する実施例における水素ガス検出器50)と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記特定ガス検出器の前記排出ガス管路の開口(例えば、後述する実施例における開口83)に臨む面の少なくとも一部を、前記排出ガス管路の内周面(例えば、後述する実施例における内周面81a)の仮想延長面(例えば、後述する実施例における仮想延長面81b)に合わせたことを特徴とする。
このように構成することにより、排出ガス管路の内周面の仮想延長面と特定ガス検出器の前記排出ガス管路の開口に臨む面との間に形成される空間の容積を極力小さくすることができる。
また、特定ガス検出器が前記排出ガス管路の内周面の仮想延長面より内側に突出していないので、特定ガス検出器が排出ガスの流れの抵抗となることもない。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスと前記カソードオフガスを混合希釈する希釈装置(例えば、後述する実施例における希釈器17)を備え、前記特定ガス検出器は前記希釈装置から排出された排出ガスが流通する排出ガス管路(例えば、後述する実施例における排気管37)に設置されていることを特徴とする。
このように構成することにより、希釈装置から排出された排出ガス中に特定ガスが漏洩しているか否か特定ガス検出器によって検出することができる。
請求項1に係る発明によれば、排出ガス管路の内周面の仮想延長面と特定ガス検出器の前記排出ガス管路の開口に臨む面との間に形成される空間の容積を極力小さくすることができるので、気流音の発生を低減することができるとともに、共鳴音の周波数を人間の耳に聞こえにくい高周波数側に移行することができる。したがって、特定ガス検出器の取付部分からの音の発生を低減することができる。
請求項2に係る発明によれば、希釈装置から排出された排出ガス中に特定ガスが漏洩しているか否かを特定ガス検出器によって検出することができるので、その検出結果に基づいて、希釈装置が正常に機能しているか否かを検出することができる。
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図1から図6の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様である。
図1を参照して、燃料電池システムの概略構成を説明する。
燃料電池1は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで両側から挟み込んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側にアノードガス流路3とカソードガス流路5を備えてなるセルを複数積層して構成されており、アノードガス流路3にアノードガスとして水素ガスを供給し、カソードガス流路5にカソードガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード極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通過してカソード極まで移動して、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。なお、図1では、単一のセルのアノードガス流路3とカソードガス流路5を代表して示している。
カソードガス(空気)はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ7により所定圧力に加圧され、カソードガス供給流路9、加湿器11を通って燃料電池1のカソードガス流路5に供給される。燃料電池1に供給されたカソードガスは発電に供された後、燃料電池1からカソード側の生成水と共にカソードオフガスとしてカソードオフガス流路13に排出され、加湿器11、背圧弁15を通って希釈器(希釈装置)17に排出される。加湿器11は例えば水透過膜を備えて構成されており、水透過膜を間に挟んでカソードガスとカソードオフガスを流通させることにより、カソードオフガスに含まれる水分が水透過膜を透過してカソードガスに移動し、カソードガスが加湿される。
一方、水素タンク21から供給されるアノードガス(水素ガス)は、アノードガス供給流路23、遮断弁25、エゼクタ27を通って燃料電池1のアノードガス流路3に供給される。そして、消費されなかった未反応のアノードガスは、燃料電池1からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路29を通ってエゼクタ27に吸引され、水素タンク21から供給される新鮮なアノードガスと合流し再び燃料電池1に供給されて循環する。
アノードオフガス流路29からは、排出弁31を備えたアノードオフガス排出流路33が分岐している。排出弁31は燃料電池1の発電時においては通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いてアノードオフガスを希釈器17へ排出する。
希釈器17において、アノードオフガス排出流路33を介して流入したアノードオフガスと、カソードオフガス流路13を介して流入したカソードオフガスとが混合され、アノードオフガスが希釈される。この混合ガスは排出ガスとして希釈器17から排出ガス流路35を介してサイレンサ19に送られる。
サイレンサ19は、排出ガスの排出音を低減するものであり、例えば複数の排気膨張室を備えて構成されている。サイレンサ19により消音された排気ガスは排気管37を通って大気に排出される。
なお、この実施例において、排気管37は、カソードオフガスが流通する排出ガス管路を構成し、希釈器17から排出されるガスは排出ガス管路を流通する排出ガスを構成する。
制御装置40は、燃料電池1に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ7を駆動して所定量の空気を燃料電池1に供給するとともに、遮断弁25を制御して水素タンク21から所定量の水素ガスを燃料電池1に供給する。また、制御装置40は背圧弁15を制御し、燃料電池1への空気の供給圧力を燃料電池1の要求出力に応じた圧力に調整する。さらに、制御装置40は、排出弁31を制御して、アノードオフガスの排出を調整する。
排気管37には水素ガスを検出する水素ガス検出器(特定ガス検出器)50が設置されており、希釈器17が正常に機能して、排気ガス中に所定濃度以上の水素ガスが漏洩していないことをチェックしている。
水素ガス検出器50について図2を参照して説明する。水素ガス検出器50は、平面視略矩形のポリフェニレンサルファイド製のケース51を備え、ケース51の底面51aには、ベース部52を介して、セラミックスにより形成された円筒状の筒状部53が設けられている。
筒状部53の内部はガス検出室54として形成され、ガス検出室54の内部側面には、内周側に向かってセラミックスからなるフランジ部55が一体に形成され、フランジ部55の内周部分がガス導入部56として開口している。
ケース51内には樹脂で封止された回路基板58が設けられ、ガス検出室54内に配置された、例えば2対の検出素子59および温度補償素子60は、回路基板58に接続された通電用の複数のステー61およびリード線62により回路基板58に接続されている。
通電用のステー61は、ケース51と筒状部53との間に配置された略円環板状のベース部52を貫通し、基端部がケース51内の回路基板58に接続されると共に、先端部がガス検出室54内に突出した状態でベース部52により固定されている。
ベース部52は、例えばアルミナあるいはガラスエポキシ等の絶縁性材料により平板状に形成され、ベース部52のガス検出室54側の表面52a上には、例えばチタン酸バリウム等からなるPTC(positive temperature coefficient)サーミスタ等の平板状ヒータ63が設けられ、裏面52b上には、例えば導電性の抵抗体(例えば、銀系やパラジュウム系の導電金属等)の印刷および焼成により形成され、電気回路の一部の導体パターンをなす裏面側ヒータ64が設けられている。これにより、ベース部52を表面側と裏面側との両側から加熱することによりベース部52の表面側と裏面側との間で温度差が増大してしまうことを防止することができ、ガス検出室54側での結露の発生を抑制すると共に、ベース部52の熱変形の発生を防止することができる。
なお、平板状ヒータ63は、例えば外形が円形板状とされ、径方向の両端部に通電用の電気端子が設けられている。
また、平板状ヒータ63を、例えばPTCサーミスタとすることにより、このPTCサーミスタを構成するチタン酸バリウムを主成分とする半導体セラミックの材料組成により、任意にキュリー温度を設定することができ、このキュリー温度から電気抵抗が急減に増大するという性質を利用して、平板状ヒータ63を定温発熱体とすることができる。
つまりPTCサーミスタは、PTC素子に電圧が印加されるとジュール熱により自己発熱し、PTC素子の温度がキュリー温度を超えると、PTC素子の抵抗値は対数的に増大する。これにより、PTC素子に通電される電流が減少し、電力の増大が抑制されることから、発熱温度が低下する。そして、PTC素子の抵抗値が低下すると、PTC素子に通電される電流が増大し、再度、電力が増大することから、発熱温度が増大する。この一連の動作が繰り返されることで、PTCサーミスタは、自己制御機能を有する定温発熱体として機能する。
また、例えば銅合金、鉄合金、ニッケル合金等の複合合金材から形成されたステー61には、例えばポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、フェノール、エポキシ等の樹脂による射出成形や熱硬化によって形成された位置決め用の端子台65が長手方向の所定位置に設けられている。
そして、ベース部52の表面側の平板状ヒータ63に形成された貫通孔にステー61の端子台65が装着された状態で、ステー61がベース部52に固定されることで、ガス検出室54内におけるステー61の先端部の突出位置が所定位置となるように位置決めされている。なお、ステー61に端子台65が設けられていることで、ステー61が平板状ヒータ63の加熱によって過熱状態となってしまうことが抑制されている。
なお、絶縁性のベース部52の表面上に、例えば印刷あるいはエッチング等によって電気回路が形成されている場合に、この電気回路とステー61とが半田付けあるいは溶接等によって接合されてもよい。
さらに、ガス検出室54内において、平板状ヒータ63およびステー61の端子台65の表面を覆うようにして、例えばエポキシ等の樹脂からなる被覆層67が設けられ、ステー61の先端部は被覆層67から突出している。これにより、平板状ヒータ63に水が接触することを防止することができる。
また、ガス検出室54内での各素子59,60周辺の温度および湿度を検出する状態センサ68が被覆層67により固定され、状態センサ68はケース51内の回路基板58に接続されている。
また、ベース部52の裏面52b上の端部には、ガスセンサ1の配置位置周辺の温度を検出するための温度センサ69が設けられ、この温度センサ69はケース51内の回路基板58に接続されている。
そして、ガス導入部56には、ガスセンサ50の厚さ方向に沿って基端部から先端部に向かい順次、例えば金属またはセラミックからなる、網状または多孔質状の防爆構造体70(例えば、焼結フィルタ)と、例えば多孔質状または複数の連通孔を有するPTCサーミスタ等の導入部ヒータ71と、例えば樹脂からなる撥水フィルタ72とが配置されている。これにより、検査対象ガスは、外部から順次、撥水フィルタ72と、導入部ヒータ71と、防爆構造体70とを通過してガス検出室54内に導入され、検査対象ガスを露点よりも高い温度に保持することができる。しかも、導入部ヒータ71を防爆構造体70に接触させることによって、防爆構造体70を直接的に加熱することができ、防爆構造体70で結露が発生することを防止することができる。
また、筒状部53の内壁面53aは金属板73により被覆され、さらに、金属板73の表面は撥水層74により被覆されている。この金属板73により、ガス検出室54内で各素子59,60から離間した位置に重力によって相対的に結露が発生しやすい領域を設けることができ、しかも、この金属板73周辺で発生した結露水は、撥水層74によって鉛直方向下方、つまりガス導入部56に向かい流動し、各素子59,60に接触することが防止される。
なお、検出素子59は周知の素子であって、電気抵抗に対する温度係数が高い白金等を含む金属線のコイルの表面が、被検出ガスとされる水素に対して活性な貴金属等からなる触媒を坦持するアルミナ等の坦体で略球形に被覆されて形成されている。
温度補償素子60は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子59と同等のコイルの表面がアルミナ等の坦体で略球形に被覆されて形成されている。
そして、被検出ガスである水素ガスが検出素子59の触媒に接触した際に生じる燃焼反応の発熱により高温となった検出素子59と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子59よりも低温の温度補償素子60との間に電気抵抗値の差が生ずることを利用し、雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺して水素濃度を検出することができるようになっている。
制御装置40は、例えば燃料電池1の運転状態等に応じて、水素ガス検出器50および各ヒータ63,64,71の作動状態、例えば作動開始および作動停止の各タイミングや、例えば検出素子59および温度補償素子60と各ヒータ63,64,71とに対する通電状態等を制御する。
例えば、制御装置40は、状態センサ68および温度センサ69の検出温度に基づいて各ヒータ63,64,71への通電を制御し、例えば燃料電池1の運転時等においては、状態センサ68により検出されるガス検出室54内の温度および湿度が、結露の発生が抑制される所定範囲の値となるよう制御すると共に、例えば温度センサ69により検出される温度が相対的に低温である場合には、各ヒータ63,64,71への通電を行い、一方、温度センサ69により検出される温度が相対的に高温である場合には、各ヒータ63,64,71への通電を停止して消費電力の過剰な増大を抑制する。
このとき、制御装置40は、例えば各ヒータ63,64,71へ通電される電流値に対するフィードバック制御や、例えばスイッチング素子のオン/オフ動作等に基づくチョッパ制御(つまり、通電のオン/オフの切替制御)等によって各ヒータ63,64,71への通電量を制御する。
この水素ガス検出器50によれば、各素子59,60を支持するステー61が、ベース部52に設けられた平板状ヒータ63から突出した状態で固定されることから、各素子59,60に接続されたステー61およびベース部52を直接的に加熱することができる。これにより、各素子59,60への通電停止時であっても、各素子59,60自体に加えてステー61およびベース部52において結露が発生してしまうことを防止することができ、たとえ水素ガス検出器50内部の他の部位で結露水が発生した場合であっても、結露水がステー61を介して各素子59,60に到達することを防止することができるため、結露水が各素子59,60に接触して、各素子59,60が破損したり劣化するのを防止し、各素子59,60の耐久性を向上させることができると共に水素ガス検出器50の検出精度を向上させることができる。
なお、上述した実施の形態においては、水素ガス検出器50を接触燃焼式としたが、これに限定されず、例えば被検出ガスが検出素子表面の酸素と接触離脱した際に生じる素子抵抗値に応じてガス濃度を検出する半導体式等の他の方式によるものであってもよい。
次に、この水素ガス検出器50の排気管37に対する取り付け構造を詳細に説明する。
図3は水素ガス検出器50が取り付けられた部分の外観斜視図であり、図4はサイレンサ19の外観斜視図である。水素ガス検出器50は、サイレンサ19の出口管19aに接続された排気管37に取り付けられている。サイレンサ19は本体部19cの長手方向の一端側に入口管19bと出口管19aが突設されている。サイレンサ19は、本体部19cの長手方向を車両の車幅方向に沿わせて配置されて車体に固定されており、サイレンサ19の入口管19bに前述した排出ガス流路35が接続されている。
排気管37は略L字状に屈曲していて、基部81がサイレンサ19の出口管19aに連結され、基部81の先端に、車体後方に延びる先部82が連なり、先部82の先端に下向きの排気口が開口している。
排気管37の基部81において先部82に近い部位の上部には、平面視円形の開口83が形成されており(図6参照)、この開口83に検出器取付管84が取り付けられている。検知器取付管84は、排気管37の基部81に対して垂直に上方へ延びる円筒状の管部85と、この管部85の上端から水平外側に延びるフランジ部86とを備え、管部85の先端が基部81の開口83に差し込まれて溶接固定され、管部85の先端面85aと基部81の内周面81aがほぼ面一にされている。管部85の内径は、水素ガス検出器50のベース部52および筒状部53がほぼ隙間なく挿入可能な大きさに設定されている。
図5に示すように、フランジ部86はその両端86a,86aを基部81の軸線に対して水平面内で直交する方向へ延ばしており、フランジ部86の各端部に取付孔87が設けられている。
水素ガス検出器50は、ベース部52および筒状部53を検出器取付管84の管部85内に挿入させ、ケース51の底面51aをフランジ部86の上面86bに当接させて取り付けられており、筒状部53の外周面に装着されたシール材57によって、筒状部53と管部85との間の気密性が確保される。そして、図3に示すように、水素ガス検出器50の上を跨いで配置されたバンド88が、検出器取付管84のフランジ部86の取付孔87に係合するボルト89等によって固定されており、このバンド88によって水素ガス検出器50はフランジ部86に固定されている。
また、管部85の軸方向長さは、水素ガス検出器50の筒状部53の底面53bが、排気管37の基部81の内周面81aの仮想延長面81bにほぼ一致するように設定されている。すなわち、水素ガス検出器50において排気管37の開口83に臨む面(底面53b)の少なくとも一部が、排気管37の内周面の仮想延長面(仮想延長面81b)に合うようにされている。
このように構成された水素ガス検出器50の取り付け構造では、水素ガス検出器50の筒状部53の底面53b側が、排気管37の基部81の内周面81aの仮想延長面81bよりも排気管37の内部側へ突出していないので、排気管37を流通する排出ガスの流れを水素ガス検出器50が妨げることがなく、水素ガス検出器50が排出ガスの抵抗となることがない。したがって、水素ガス検出器50の取り付けに起因して排出ガスの背圧が増大することがなく、カソードオフガスの流量を減少させることがなく、燃料電池1のカソード極への空気供給量を減少させることがない。
ところで、水素ガス検出器50の筒状部53の底面53bと、排気管37の基部81の内周面81aの仮想延長面81bと、検出器取付管84の管部85の内周面85bとによって囲まれた空間Qの存在は、排出ガスの流れに伴う気流音や共鳴音の発生の原因となる。これらの音は、サイレンサ19の下流で生じた音であるので、サイレンサ19で消音することはできず、排気管37の排気口から直接外部に放出されてしまう。
水素ガス検出器50の筒状部53の底面53bの形状を基部81の内周面81aの仮想延長面81bの形状に合わせることにより空間Qの容積をゼロにすれば、気流音や共鳴音が発生しないようにすることができるが、筒状部53の底面53bの形状をそのように形成するのは困難であり、現実的でない。
この実施例の取り付け構造の場合には、前述したように水素ガス検出器50の筒状部53の底面53bが、排気管37における基部81の内周面81aの仮想延長面81bにほぼ一致するように設定されているので、空間Qの容積を極力小さくすることができる。その結果、気流音の発生を低減することができるとともに、共鳴音の周波数を人間の耳に聞こえにくい高周波数側に移行することができる。これにより、水素ガス検出器50の取付部分からの騒音の発生を低減することができ、静粛性が向上する。
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、この発明は、水素ガス検出器50の筒状部53の底面53bの一部と排気管37の内周面81aの仮想延長面81bが完全一致する場合に限るものではなく、気流音や共鳴音の発生を抑制することができる効果が得られる限り、底面53aと仮想延長面81bとの間に微少の間隔が開くことは許容範囲である。
前述した実施例では、水素ガス検出器50をサイレンサ19の下流の排気管37に設置した態様で説明したが、水素ガス検出器50の設置位置はこれに限るものではなく、カソードオフガスが流通する管路であればいずれの部位に設置しても構わない。例えば、希釈器17とサイレンサ19との間の排出ガス流路35に水素ガス検出器50を設置する場合にこの発明を適用することが可能であり、さらには、希釈器17の上流側のカソードオフガス流路13に水素ガス検出器50を設置する場合にもこの発明を適用することが可能である。
また、前述した実施例では、排気管37の上部に開口83を設け、ここに検出器取付管84を設けて水素ガス検出器50を取り付けたが、排気管37の下部に開口を設け、ここに下向きに検出器取付管を設けて水素ガス検出器50を取り付けることも可能である。つまり、この発明は水素ガス検出器50の取り付け姿勢に関わらず適用可能である。
また、前述した実施例では、特定ガスを水素ガスとし、特定ガス検出器を水素ガス検出器としたが、この発明は水素ガス以外のガスを特定ガスとして検出する特定ガス検出器であってもよい。
この発明に係る燃料電池システムの実施例における概略構成図である。 特定ガス検出器としての水素ガス検出器の断面図である。 水素ガス検出器の取付部の外観斜視図である。 サイレンサの外観斜視図である。 排気管および検出器取付管の平面図である。 検出器取付管への水素ガス検出器取り付け状態を示す拡大断面図である。
符号の説明
1 燃料電池
13 カソードオフガス流路(排出ガス管路)
17 希釈器(希釈装置)
35 排出ガス流路(排出ガス管路)
37 排気管(排出ガス管路)
50 水素ガス検出器(特定ガス検出器)
53b 底面(開口に臨む面)
81a 内周面
81b 仮想延長面
83 開口

Claims (2)

  1. カソードガスおよびアノードガスを供給して発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが流通する排出ガス管路と、
    前記排出ガス管路に設置され該排出ガス管路を流通する排出ガス中の特定ガスを検出する特定ガス検出器と、
    を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記特定ガス検出器の前記排出ガス管路の開口に臨む面の少なくとも一部を、前記排出ガス管路の内周面の仮想延長面に合わせたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池から排出されたアノードオフガスと前記カソードオフガスを混合希釈する希釈装置を備え、前記特定ガス検出器は前記希釈装置から排出された排出ガスが流通する排出ガス管路に設置されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
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