JP3905800B2 - 燃料電池の保護装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の保護装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料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酸素極まで移動して、酸素極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。
【０００３】
このような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池において、従来、例えば特開平６−２２３８５０号公報に開示された燃料電池の保護システムのように、燃料電池の酸素極側の排出系に水素センサを備え、この水素センサによって、燃料極側の水素が固体高分子電解質膜を通じて酸素極側に漏洩したことを検知したときは、燃料の供給を遮断する保護システムが知られている。
また、水素センサとしては、例えば白金等の触媒からなるガス検出素子と温度補償素子とを一対備え、水素が白金等の触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によってガス検出素子が相対的に高温の状態になったときに、例えば雰囲気温度下等の相対的に低温の状態の温度補償素子との間に生じる電気抵抗の差異に応じて、水素ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式の水素センサが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術に係る燃料電池の保護システムにおいては、単に、燃料電池の酸素極側の排出系に水素が検知された場合に、燃料供給を遮断するように設定されているだけであり、燃料電池の状態については何等考慮されていない。このため、例えば燃料供給の遮断を実行するか否かを判定するための閾値が過剰に高い値に設定されていると、燃料供給の遮断が遅れてしまい、燃料電池に発生した異常状態が過剰に進行してしまう虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池を適切に保護することが可能な燃料電池の保護装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池の保護装置は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池２）と、前記燃料電池の酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管（例えば、実施の形態での酸素極側の出口側配管１４）と、前記カソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガス中の水素を検出する水素センサ（例えば、実施の形態での水素センサ４）と、前記燃料電池の作動状態を検出する作動状態検出手段（例えば、実施の形態での圧力検出器１１ａ、圧力検出器１２ａ、流量検出器１２ｂ、電流制御器５）と、前記燃料電池の作動状態に応じて設定された前記水素センサの検出値に対する判定閾値を記憶する記憶手段（例えば、実施の形態での記憶装置８）と、前記水素センサから出力される検出値と、前記作動状態検出手段から出力される前記燃料電池の作動状態に応じて前記記憶手段から取得した前記判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて前記燃料電池が異常状態であるか否かを判定する異常状態判定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０４）と、前記異常状態判定手段による判定結果に応じて燃料電池の作動状態を変更する保護手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０５）とを備え、前記保護手段は、前記燃料極と前記酸素極との前記反応ガスの圧力差または前記反応ガスの供給圧力または前記反応ガスの供給流量または前記燃料電池の発電電流の少なくとも何れかの設定値に対する、前記水素センサから検出される検出値の増大に応じて減少傾向に変化する許容値を格納する記憶装置を備え、異常状態と判定された後に検出される前記水素センサの検出値に応じて、前記記憶装置に格納された許容値を超えない値に、前記設定値を低減させることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の燃料電池の保護装置によれば、異常状態判定手段は、水素センサから出力される検出値を、燃料電池の作動状態に応じて設定された所定の判定閾値と比較することから、例えば燃料電池の作動状態に対する所定の許容範囲内での正常状態において、オフガス中の水素が燃料電池の作動状態に応じて変化する場合であっても、適切な判定閾値によって異常状態の発生を判定することができ、異常判定時には保護手段によって適切な処理を行うことが可能となる。
【０００８】
上記構成の燃料電池の保護装置によれば、異常状態判定手段により燃料電池が異常状態であると判定された場合に、保護手段により燃料極と酸素極との反応ガスの圧力差または反応ガスの供給圧力または反応ガスの供給流量または燃料電池の発電電流の少なくとも何れかを低減させることにより、燃料電池に発生した異常状態、例えば固体高分子電解質膜に生じた異常状態等が過剰に進行してしまうことを確実に防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池の保護装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る燃料電池の保護装置（以下、単に、保護装置と呼ぶ）１は、例えば図１に示すように、燃料電池２と、燃料電池２の酸素極に酸素を含む空気を供給するエアーコンプレッサー３と、水素センサ４と、電流制御器５と、蓄電装置６と、制御装置７と、記憶装置８とを備える燃料電池システム２ａに具備されており、例えば、電流制御器５と、制御装置７と、燃料極側圧力流量調整器９ａと、酸素極側圧力流量調整器９ｂとを備えて構成されている。
【００１０】
燃料電池２は、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極で挟持した電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セル（図示略）を多数組積層して構成されている。
例えば図１に示すように、燃料極に入口側配管１１から供給された水素などの燃料ガスは、燃料極の触媒電極上で水素がイオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介して酸素極へと移動する、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸素極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスを含む空気がエアーコンプレッサー３から入口側配管１２を介して供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、燃料極側、酸素極側共に出口側配管１３、１４から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。
【００１１】
ここで、燃料電池２の燃料極側の入口側配管１１には、燃料極側に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力検出器１１ａが備えられ、燃料電池２の酸素極側の入口側配管１２には、酸素極側に供給される空気の各圧力および流量を検出する圧力検出器１２ａおよび流量検出器１２ｂが備えられ、各検出器１１ａ，１２ａ，１２ｂから出力される検出信号は制御装置７に入力されている。
また、燃料電池２から取り出される発電電流は、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えた電流制御器５に入力されており、この電流制御器５には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる蓄電装置６が接続されている。
電流制御器５は、制御装置７から出力される電流指令値、つまり燃料電池２に対する発電指令に基づいて、燃料電池２から取り出される発電電流の電流値を制御すると共に、実際に燃料電池２から取り出される発電電流を検出し、この検出値を制御装置７へと入力している。
さらに、酸素極側の出口側配管１４の鉛直方向上部には水素センサ４が取り付けられ、この出口側配管１４内を流通するオフガス中に水素が排出されていないことを確認することができるようになっている。
【００１２】
水素センサ４は、例えばガス接触燃焼式の水素センサとされ、例えば図２および図３に示すように、直方形状のケース２１を備えている。ケース２１は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、長手方向両端部にフランジ部２２を備えている。フランジ部２２にはカラー２３を取り付けてあり、このカラー２３内にボルト２４を挿入して、酸素極側の出口側配管１４に設けられた各取付座２５に締め付け固定されるようになっている。
また、例えば図３に示すように、ケース２１の下面には筒状部２６が形成され、筒状部２６の内部はガス検出室２７として形成され、ガス検出室２７の内部側面には、内側に向かってフランジ部２８が形成され、フランジ部２８の内周部分がガス導入部２９として開口形成されている。
【００１３】
ケース２１内には樹脂で封止された回路基板３０が設けられ、筒状部２６の内部に配置された検出素子３１および温度補償素子３２は、回路基板３０に接続されている。そして、各素子３１，３２は回路基板３０に接続された複数、例えば４個のピン３３により、ガス検出室２７の底面２７Ａ上に配置されたベース３４から、水素センサ本体の厚さ方向に一定距離の高さで所定間隔を隔てて対をなすようにして配置されている。
また、筒状部２６の外周面にシール材３５が取り付けられ、出口側配管１４の貫通孔１４ａの内周壁に密接して気密性を確保している。
【００１４】
検出素子３１は周知の素子であって、例えば図４に示すように、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３１ａの表面を、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３１ｂを坦持するアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
温度補償素子３２は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子３１と同等のコイル３２ａの表面をアルミナ等の坦体で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が検出素子３１の触媒３１ｂ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３１と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず雰囲気温度下の温度補償素子３２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。
【００１５】
例えば図４に示すように、検出素子３１（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子３２（抵抗値Ｒ３）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗４１（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗４２（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺とが、電源４３に対して並列に接続されてなるブリッジ回路において、検出素子３１と温度補償素子３２同志の接続点ＰＳと、固定抵抗４１，４２同志の接続点ＰＲとの間に、これらの接続点ＰＳ，ＰＲ間の電圧を検出する電圧計４４が接続されている。
【００１６】
ここで、ガス検出室２７内に導入された検査対象ガス中に被検出ガスである水素が存在しないときには、ブリッジ回路はバランスしてＲ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３の状態にあり、電圧計４４の出力がゼロとなる。一方、水素が存在すると、検出素子３１の触媒３１ｂにおいて水素が燃焼し、コイル３１ａの温度が上昇し、抵抗値Ｒ４が増大する。これに対して温度補償素子３２においては水素は燃焼せず、抵抗値Ｒ３は変化しない。これにより、ブリッジ回路の平衡が破れて電圧計４４に、水素濃度の増大変化に応じて増大傾向に変化する適宜の電圧が印加される。この電圧計４４から出力される電圧の検出値は制御装置７へ出力される。そして、制御装置７においては、この電圧の検出値の変化に応じて予め設定された水素濃度のマップ等が記憶装置８から検索され、水素濃度が算出される。
【００１７】
ここで、記憶装置８は、燃料電池２の作動状態、例えば燃料極と酸素極との反応ガスの圧力差とされる極間差圧や、燃料極に供給される燃料ガスの圧力、あるいは、酸素極に供給される酸素を含むガスの圧力等とされる作動圧力や、発電電流や、反応ガスの流量等に応じた、水素センサ４の検出値に対する所定の判定閾値のマップ等を記憶している。
例えば、この所定の判定閾値のマップにおいては、燃料電池２の発電電流の低下や、燃料電池２に供給される反応ガスの圧力の低下等のように、燃料電池２の負荷状態が低下することに伴って、低下傾向に変化する判定閾値が設定されている。これにより、例えば燃料電池２に異常が発生した場合であっても、異常状態が過剰に進行してしまうことを防止することができるようされている。
制御装置７は、各検出器１１ａ，１２ａから入力される信号に基づいて算出した極間差圧や作動圧力、流量検出器１２ｂ及び電流制御器５から入力される反応ガスの流量や燃料電池２の発電電流の検出値等に基づき、記憶装置８に格納されているマップ等を検索し、所定の判定閾値を取得する。そして、水素センサ４から出力される検出値と記憶装置８から取得した判定閾値とを比較し、検出値が判定閾値を超えている場合には、燃料電池２に対する所定の保護処理を実行する。
【００１８】
この保護処理においては、例えば燃料電池２の燃料極側の入口側配管１１に設けられた燃料極側圧力流量調整器９ａや、燃料電池２の酸素極側の入口側配管１２に設けられた酸素極側圧力流量調整器９ｂや、エアーコンプレッサー３等を制御し、燃料電池２の極間圧力や作動圧力、燃料電池２に供給される反応ガスの流量等を低下させたり、電流制御器５を制御し、燃料電池２の発電電流を低下させる。
【００１９】
本実施の形態による燃料電池の保護装置１は上記構成を備えており、次に、この燃料電池の保護装置１の動作について添付図面を参照しながら説明する。
先ず、図５に示すステップＳ０１においては、燃料電池２の作動時において、燃料電池２の作動状態として、各検出器１１ａ，１２ａから入力される検出信号を取得し、例えば極間差圧や作動圧力等を算出したり、流量検出器１２ｂから入力される反応ガスの流量の検出信号や、電流制御器５から入力される発電電流の検出信号を取得する。
そして、ステップＳ０２においては、水素センサ４から出力される電圧の検出値を取得する。
そして、ステップＳ０３においては、燃料電池２の作動状態に応じた各判定閾値を記憶装置８から取得する。
【００２０】
そして、ステップＳ０４においては、水素センサ４から出力される電圧の検出値が、燃料電池２の作動状態に応じて記憶装置８から取得した判定閾値よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、一連処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０５に進み、燃料電池２の極間圧力や作動圧力、燃料電池２に供給される反応ガスの流量、燃料電池２に要求される発電電流を低下させ、一連の処理を終了する。
【００２１】
例えば図６〜図８に示すように、記憶装置８には、水素センサ４から出力される電圧の検出値の増大に応じて減少傾向に変化する許容極間差圧やカソード許容運転圧力や許容最大発電電流等のマップ等が格納されており、上述したステップＳ０５において燃料電池２の作動状態を変更する際には、水素センサ４から出力される電圧の検出値に応じて、極間差圧や作動圧力や発電電流等を、各許容値を超えないような値に設定する。
【００２２】
上述したように、本実施の形態による燃料電池の保護装置１によれば、水素センサ４から出力される検出値を燃料電池２の作動状態に応じて設定された所定の判定閾値と比較することにより、燃料電池２における異常状態の発生を適切に判定することができ、異常状態の発生時には適切な保護処理を迅速に実行することが可能となる。
しかも、所定の判定閾値は、燃料電池２の負荷状態の低下に伴い、低下傾向に変化するように設定されていることから、特に、燃料電池２の負荷状態が相対的に低い状態で異常が発生した場合であっても、異常状態が過剰に進行してしまうことを防止し、適切な保護処理を、より一層、迅速に実行することができる。
【００２３】
なお、例えば酸素極側の出口側配管１４に備えた水素センサ４から出力される検出値に基づき、燃料電池システム２ａのその他の箇所における水素濃度を推定し、この推定値と所定の判定閾値と比較し、燃料電池２に異常状態が発生したか否かを判定してもよい。
【００２４】
また、上述した本実施の形態においては、各素子３１，３２を接続してなる回路をブリッジ回路としたが、これに限定されず、例えば直列回路等のその他の回路であってもよく、水素センサ４の検出値つまり検出素子３１の抵抗値Ｒ４に関連した状態量として、所定接点間の電圧や電流の検出値が制御装置７へ出力されてもよい。
例えば、検出素子３１と、水素濃度の増大に応じて抵抗値が増大する適宜の素子とを具備する直列回路に所定電圧を印加した状態で、検出素子３１の端子間電圧を検出する場合には、水素濃度が増大すると、この直列回路において検出素子３１での電圧降下が相対的に増大するため、この端子間電圧の検出値が所定の判定閾値よりも大きいときに、燃料電池２の作動状態を変更する。
また、例えば、検出素子３１と、水素濃度の増大に応じて抵抗値が増大する適宜の素子とが並列に接続されてなる並列回路に定電流バイアス回路等によって所定の電流を供給する状態で、検出素子３１に通電される電流を検出する場合には、水素濃度が増大すると、この並列回路において検出素子３１に通電される電流が相対的に低下するため、この電流の検出値が所定の判定閾値未満のときに、燃料電池２の作動状態を変更する。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池の保護装置によれば、水素センサから出力される検出値を燃料電池の作動状態に応じて設定された所定の判定閾値と比較することにより、燃料電池における異常状態の発生を適切に判定することができ、異常状態の発生時には適切な保護処理を迅速に実行することが可能となる。
さらに、本発明の燃料電池の保護装置によれば、異常状態判定手段により燃料電池が異常状態であると判定された場合に、保護手段により燃料極と酸素極との反応ガスの圧力差または反応ガスの供給圧力または反応ガスの供給流量または燃料電池の発電電流の少なくとも何れかを低減させることにより、燃料電池に発生した異常状態、例えば固体高分子電解質膜に生じた異常状態等が過剰に進行してしまうことを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る燃料電池の保護装置を具備する燃料電池システムの構成図である。
【図２】 図１に示す水素センサの平面図である。
【図３】 図２に示すＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図４】 検出素子および温度補償素子が接続されてなるブリッジ回路を示す図である。
【図５】 図１に示す燃料電池の保護装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】 水素センサから出力される検出値に応じて変化する許容極間差圧の変化の一例を示すグラフ図である。
【図７】 水素センサから出力される検出値に応じて変化するカソード許容運転差圧の変化の一例を示すグラフ図である。
【図８】 水素センサから出力される検出値に応じて変化する許容最大発電電流の変化の一例を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池の保護装置
２ 燃料電池
４ 水素センサ
５ 電流制御器（作動状態検出手段）
８ 記憶装置（記憶手段）
１４ 酸素極側の出口側配管（カソードオフガス流通管）
１１ａ，１２ａ 圧力検出器（作動状態検出手段）
１２ｂ 流量検出器（作動状態検出手段）
ステップＳ０４ 異常状態判定手段
ステップＳ０５ 保護手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の保護装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料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酸素極まで移動して、酸素極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。
【０００３】
このような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池において、従来、例えば特開平６−２２３８５０号公報に開示された燃料電池の保護システムのように、燃料電池の酸素極側の排出系に水素センサを備え、この水素センサによって、燃料極側の水素が固体高分子電解質膜を通じて酸素極側に漏洩したことを検知したときは、燃料の供給を遮断する保護システムが知られている。
また、水素センサとしては、例えば白金等の触媒からなるガス検出素子と温度補償素子とを一対備え、水素が白金等の触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によってガス検出素子が相対的に高温の状態になったときに、例えば雰囲気温度下等の相対的に低温の状態の温度補償素子との間に生じる電気抵抗の差異に応じて、水素ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式の水素センサが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術に係る燃料電池の保護システムにおいては、単に、燃料電池の酸素極側の排出系に水素が検知された場合に、燃料供給を遮断するように設定されているだけであり、燃料電池の状態については何等考慮されていない。このため、例えば燃料供給の遮断を実行するか否かを判定するための閾値が過剰に高い値に設定されていると、燃料供給の遮断が遅れてしまい、燃料電池に発生した異常状態が過剰に進行してしまう虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池を適切に保護することが可能な燃料電池の保護装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池の保護装置は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池２）と、前記燃料電池の酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管（例えば、実施の形態での酸素極側の出口側配管１４）と、前記カソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガス中の水素を検出する水素センサ（例えば、実施の形態での水素センサ４）と、前記燃料電池の作動状態を検出する作動状態検出手段（例えば、実施の形態での圧力検出器１１ａ、圧力検出器１２ａ、流量検出器１２ｂ、電流制御器５）と、前記燃料電池の作動状態に応じて設定された前記水素センサの検出値に対する判定閾値を記憶する記憶手段（例えば、実施の形態での記憶装置８）と、前記水素センサから出力される検出値と、前記作動状態検出手段から出力される前記燃料電池の作動状態に応じて前記記憶手段から取得した前記判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて前記燃料電池が異常状態であるか否かを判定する異常状態判定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０４）と、前記異常状態判定手段による判定結果に応じて燃料電池の作動状態を変更する保護手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０５）とを備え、前記保護手段は、前記燃料極と前記酸素極との前記反応ガスの圧力差または前記反応ガスの供給圧力または前記反応ガスの供給流量または前記燃料電池の発電電流の少なくとも何れかの設定値に対する、前記水素センサから検出される検出値の増大に応じて減少傾向に変化する許容値を格納する記憶装置を備え、異常状態と判定された後に検出される前記水素センサの検出値に応じて、前記記憶装置に格納された許容値を超えない値に、前記設定値を低減させることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の燃料電池の保護装置によれば、異常状態判定手段は、水素センサから出力される検出値を、燃料電池の作動状態に応じて設定された所定の判定閾値と比較することから、例えば燃料電池の作動状態に対する所定の許容範囲内での正常状態において、オフガス中の水素が燃料電池の作動状態に応じて変化する場合であっても、適切な判定閾値によって異常状態の発生を判定することができ、異常判定時には保護手段によって適切な処理を行うことが可能となる。
【０００８】
上記構成の燃料電池の保護装置によれば、異常状態判定手段により燃料電池が異常状態であると判定された場合に、保護手段により燃料極と酸素極との反応ガスの圧力差または反応ガスの供給圧力または反応ガスの供給流量または燃料電池の発電電流の少なくとも何れかを低減させることにより、燃料電池に発生した異常状態、例えば固体高分子電解質膜に生じた異常状態等が過剰に進行してしまうことを確実に防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池の保護装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る燃料電池の保護装置（以下、単に、保護装置と呼ぶ）１は、例えば図１に示すように、燃料電池２と、燃料電池２の酸素極に酸素を含む空気を供給するエアーコンプレッサー３と、水素センサ４と、電流制御器５と、蓄電装置６と、制御装置７と、記憶装置８とを備える燃料電池システム２ａに具備されており、例えば、電流制御器５と、制御装置７と、燃料極側圧力流量調整器９ａと、酸素極側圧力流量調整器９ｂとを備えて構成されている。
【００１０】
燃料電池２は、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極で挟持した電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セル（図示略）を多数組積層して構成されている。
例えば図１に示すように、燃料極に入口側配管１１から供給された水素などの燃料ガスは、燃料極の触媒電極上で水素がイオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介して酸素極へと移動する、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸素極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスを含む空気がエアーコンプレッサー３から入口側配管１２を介して供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、燃料極側、酸素極側共に出口側配管１３、１４から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。
【００１１】
ここで、燃料電池２の燃料極側の入口側配管１１には、燃料極側に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力検出器１１ａが備えられ、燃料電池２の酸素極側の入口側配管１２には、酸素極側に供給される空気の各圧力および流量を検出する圧力検出器１２ａおよび流量検出器１２ｂが備えられ、各検出器１１ａ，１２ａ，１２ｂから出力される検出信号は制御装置７に入力されている。
また、燃料電池２から取り出される発電電流は、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えた電流制御器５に入力されており、この電流制御器５には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる蓄電装置６が接続されている。
電流制御器５は、制御装置７から出力される電流指令値、つまり燃料電池２に対する発電指令に基づいて、燃料電池２から取り出される発電電流の電流値を制御すると共に、実際に燃料電池２から取り出される発電電流を検出し、この検出値を制御装置７へと入力している。
さらに、酸素極側の出口側配管１４の鉛直方向上部には水素センサ４が取り付けられ、この出口側配管１４内を流通するオフガス中に水素が排出されていないことを確認することができるようになっている。
【００１２】
水素センサ４は、例えばガス接触燃焼式の水素センサとされ、例えば図２および図３に示すように、直方形状のケース２１を備えている。ケース２１は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、長手方向両端部にフランジ部２２を備えている。フランジ部２２にはカラー２３を取り付けてあり、このカラー２３内にボルト２４を挿入して、酸素極側の出口側配管１４に設けられた各取付座２５に締め付け固定されるようになっている。
また、例えば図３に示すように、ケース２１の下面には筒状部２６が形成され、筒状部２６の内部はガス検出室２７として形成され、ガス検出室２７の内部側面には、内側に向かってフランジ部２８が形成され、フランジ部２８の内周部分がガス導入部２９として開口形成されている。
【００１３】
ケース２１内には樹脂で封止された回路基板３０が設けられ、筒状部２６の内部に配置された検出素子３１および温度補償素子３２は、回路基板３０に接続されている。そして、各素子３１，３２は回路基板３０に接続された複数、例えば４個のピン３３により、ガス検出室２７の底面２７Ａ上に配置されたベース３４から、水素センサ本体の厚さ方向に一定距離の高さで所定間隔を隔てて対をなすようにして配置されている。
また、筒状部２６の外周面にシール材３５が取り付けられ、出口側配管１４の貫通孔１４ａの内周壁に密接して気密性を確保している。
【００１４】
検出素子３１は周知の素子であって、例えば図４に示すように、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３１ａの表面を、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３１ｂを坦持するアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
温度補償素子３２は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子３１と同等のコイル３２ａの表面をアルミナ等の坦体で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が検出素子３１の触媒３１ｂ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３１と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず雰囲気温度下の温度補償素子３２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。
【００１５】
例えば図４に示すように、検出素子３１（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子３２（抵抗値Ｒ３）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗４１（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗４２（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺とが、電源４３に対して並列に接続されてなるブリッジ回路において、検出素子３１と温度補償素子３２同志の接続点ＰＳと、固定抵抗４１，４２同志の接続点ＰＲとの間に、これらの接続点ＰＳ，ＰＲ間の電圧を検出する電圧計４４が接続されている。
【００１６】
ここで、ガス検出室２７内に導入された検査対象ガス中に被検出ガスである水素が存在しないときには、ブリッジ回路はバランスしてＲ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３の状態にあり、電圧計４４の出力がゼロとなる。一方、水素が存在すると、検出素子３１の触媒３１ｂにおいて水素が燃焼し、コイル３１ａの温度が上昇し、抵抗値Ｒ４が増大する。これに対して温度補償素子３２においては水素は燃焼せず、抵抗値Ｒ３は変化しない。これにより、ブリッジ回路の平衡が破れて電圧計４４に、水素濃度の増大変化に応じて増大傾向に変化する適宜の電圧が印加される。この電圧計４４から出力される電圧の検出値は制御装置７へ出力される。そして、制御装置７においては、この電圧の検出値の変化に応じて予め設定された水素濃度のマップ等が記憶装置８から検索され、水素濃度が算出される。
【００１７】
ここで、記憶装置８は、燃料電池２の作動状態、例えば燃料極と酸素極との反応ガスの圧力差とされる極間差圧や、燃料極に供給される燃料ガスの圧力、あるいは、酸素極に供給される酸素を含むガスの圧力等とされる作動圧力や、発電電流や、反応ガスの流量等に応じた、水素センサ４の検出値に対する所定の判定閾値のマップ等を記憶している。
例えば、この所定の判定閾値のマップにおいては、燃料電池２の発電電流の低下や、燃料電池２に供給される反応ガスの圧力の低下等のように、燃料電池２の負荷状態が低下することに伴って、低下傾向に変化する判定閾値が設定されている。これにより、例えば燃料電池２に異常が発生した場合であっても、異常状態が過剰に進行してしまうことを防止することができるようされている。
制御装置７は、各検出器１１ａ，１２ａから入力される信号に基づいて算出した極間差圧や作動圧力、流量検出器１２ｂ及び電流制御器５から入力される反応ガスの流量や燃料電池２の発電電流の検出値等に基づき、記憶装置８に格納されているマップ等を検索し、所定の判定閾値を取得する。そして、水素センサ４から出力される検出値と記憶装置８から取得した判定閾値とを比較し、検出値が判定閾値を超えている場合には、燃料電池２に対する所定の保護処理を実行する。
【００１８】
この保護処理においては、例えば燃料電池２の燃料極側の入口側配管１１に設けられた燃料極側圧力流量調整器９ａや、燃料電池２の酸素極側の入口側配管１２に設けられた酸素極側圧力流量調整器９ｂや、エアーコンプレッサー３等を制御し、燃料電池２の極間圧力や作動圧力、燃料電池２に供給される反応ガスの流量等を低下させたり、電流制御器５を制御し、燃料電池２の発電電流を低下させる。
【００１９】
本実施の形態による燃料電池の保護装置１は上記構成を備えており、次に、この燃料電池の保護装置１の動作について添付図面を参照しながら説明する。
先ず、図５に示すステップＳ０１においては、燃料電池２の作動時において、燃料電池２の作動状態として、各検出器１１ａ，１２ａから入力される検出信号を取得し、例えば極間差圧や作動圧力等を算出したり、流量検出器１２ｂから入力される反応ガスの流量の検出信号や、電流制御器５から入力される発電電流の検出信号を取得する。
そして、ステップＳ０２においては、水素センサ４から出力される電圧の検出値を取得する。
そして、ステップＳ０３においては、燃料電池２の作動状態に応じた各判定閾値を記憶装置８から取得する。
【００２０】
そして、ステップＳ０４においては、水素センサ４から出力される電圧の検出値が、燃料電池２の作動状態に応じて記憶装置８から取得した判定閾値よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、一連処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０５に進み、燃料電池２の極間圧力や作動圧力、燃料電池２に供給される反応ガスの流量、燃料電池２に要求される発電電流を低下させ、一連の処理を終了する。
【００２１】
例えば図６〜図８に示すように、記憶装置８には、水素センサ４から出力される電圧の検出値の増大に応じて減少傾向に変化する許容極間差圧やカソード許容運転圧力や許容最大発電電流等のマップ等が格納されており、上述したステップＳ０５において燃料電池２の作動状態を変更する際には、水素センサ４から出力される電圧の検出値に応じて、極間差圧や作動圧力や発電電流等を、各許容値を超えないような値に設定する。
【００２２】
上述したように、本実施の形態による燃料電池の保護装置１によれば、水素センサ４から出力される検出値を燃料電池２の作動状態に応じて設定された所定の判定閾値と比較することにより、燃料電池２における異常状態の発生を適切に判定することができ、異常状態の発生時には適切な保護処理を迅速に実行することが可能となる。
しかも、所定の判定閾値は、燃料電池２の負荷状態の低下に伴い、低下傾向に変化するように設定されていることから、特に、燃料電池２の負荷状態が相対的に低い状態で異常が発生した場合であっても、異常状態が過剰に進行してしまうことを防止し、適切な保護処理を、より一層、迅速に実行することができる。
【００２３】
なお、例えば酸素極側の出口側配管１４に備えた水素センサ４から出力される検出値に基づき、燃料電池システム２ａのその他の箇所における水素濃度を推定し、この推定値と所定の判定閾値と比較し、燃料電池２に異常状態が発生したか否かを判定してもよい。
【００２４】
また、上述した本実施の形態においては、各素子３１，３２を接続してなる回路をブリッジ回路としたが、これに限定されず、例えば直列回路等のその他の回路であってもよく、水素センサ４の検出値つまり検出素子３１の抵抗値Ｒ４に関連した状態量として、所定接点間の電圧や電流の検出値が制御装置７へ出力されてもよい。
例えば、検出素子３１と、水素濃度の増大に応じて抵抗値が増大する適宜の素子とを具備する直列回路に所定電圧を印加した状態で、検出素子３１の端子間電圧を検出する場合には、水素濃度が増大すると、この直列回路において検出素子３１での電圧降下が相対的に増大するため、この端子間電圧の検出値が所定の判定閾値よりも大きいときに、燃料電池２の作動状態を変更する。
また、例えば、検出素子３１と、水素濃度の増大に応じて抵抗値が増大する適宜の素子とが並列に接続されてなる並列回路に定電流バイアス回路等によって所定の電流を供給する状態で、検出素子３１に通電される電流を検出する場合には、水素濃度が増大すると、この並列回路において検出素子３１に通電される電流が相対的に低下するため、この電流の検出値が所定の判定閾値未満のときに、燃料電池２の作動状態を変更する。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池の保護装置によれば、水素センサから出力される検出値を燃料電池の作動状態に応じて設定された所定の判定閾値と比較することにより、燃料電池における異常状態の発生を適切に判定することができ、異常状態の発生時には適切な保護処理を迅速に実行することが可能となる。
さらに、本発明の燃料電池の保護装置によれば、異常状態判定手段により燃料電池が異常状態であると判定された場合に、保護手段により燃料極と酸素極との反応ガスの圧力差または反応ガスの供給圧力または反応ガスの供給流量または燃料電池の発電電流の少なくとも何れかを低減させることにより、燃料電池に発生した異常状態、例えば固体高分子電解質膜に生じた異常状態等が過剰に進行してしまうことを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る燃料電池の保護装置を具備する燃料電池システムの構成図である。
【図２】 図１に示す水素センサの平面図である。
【図３】 図２に示すＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図４】 検出素子および温度補償素子が接続されてなるブリッジ回路を示す図である。
【図５】 図１に示す燃料電池の保護装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】 水素センサから出力される検出値に応じて変化する許容極間差圧の変化の一例を示すグラフ図である。
【図７】 水素センサから出力される検出値に応じて変化するカソード許容運転差圧の変化の一例を示すグラフ図である。
【図８】 水素センサから出力される検出値に応じて変化する許容最大発電電流の変化の一例を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池の保護装置
２ 燃料電池
４ 水素センサ
５ 電流制御器（作動状態検出手段）
８ 記憶装置（記憶手段）
１４ 酸素極側の出口側配管（カソードオフガス流通管）
１１ａ，１２ａ 圧力検出器（作動状態検出手段）
１２ｂ 流量検出器（作動状態検出手段）
ステップＳ０４ 異常状態判定手段
ステップＳ０５ 保護手段
Claims (1)
- 反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記燃料電池の酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管と、
前記カソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガス中の水素を検出する水素センサと、
前記燃料電池の作動状態を検出する作動状態検出手段と、
前記燃料電池の作動状態に応じて設定された前記水素センサの検出値に対する判定閾値を記憶する記憶手段と、
前記水素センサから出力される検出値と、前記作動状態検出手段から出力される前記燃料電池の作動状態に応じて前記記憶手段から取得した前記判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて前記燃料電池が異常状態であるか否かを判定する異常状態判定手段と、
前記異常状態判定手段による判定結果に応じて燃料電池の作動状態を変更する保護手段とを備え、
前記保護手段は、
前記燃料極と前記酸素極との前記反応ガスの圧力差または前記反応ガスの供給圧力または前記反応ガスの供給流量または前記燃料電池の発電電流の少なくとも何れかの設定値に対する、前記水素センサから検出される検出値の増大に応じて減少傾向に変化する許容値を格納する記憶装置を備え、
異常状態と判定された後に検出される前記水素センサの検出値に応じて、前記記憶装置に格納された許容値を超えない値に、前記設定値を低減させることを特徴とする燃料電池の保護装置。
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