JP3939608B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素センサを具備する燃料電池システム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、上述したような燃料電池の保護システムや、例えば燃料電池を動力源として備える燃料電池車両等の車両においては、燃料電池の酸素極側の排出系に限らず、燃料電池システムや車両のその他の箇所において、水素ガスが漏洩していないことを確認するための複数の水素センサを配置することが望まれる場合がある。この場合、複数の水素センサを備えることによって、燃料電池システムの構成に要する費用が嵩んだり、複数の水素センサを作動させるのに要する消費電力が増大してしまうという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、水素の検出を行う箇所を削減すること無しに、必要とされる水素センサの個数を削減することが可能な燃料電池システム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システムは、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、前記燃料電池を内部に収容する筐体(例えば、実施の形態での筐体2a)と、前記筐体内を換気する換気装置(例えば、実施の形態での換気装置3)と、前記カソードオフガス流通管に接続され、前記換気装置の換気によって前記筐体内から排出される排出ガスを前記オフガスに合流させる換気配管(例えば、実施の形態での換気排出管16)と、前記カソードオフガス流通管において前記換気配管が接続された接続部(例えば、実施の形態での合流部14a)から下流側に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、前記カソードオフガス流通管の前記接続部に、前記カソードオフガス流通管を流通する前記オフガスによって発生する負圧によって、前記換気配管からの前記排出ガスを吸い込むエゼクタ(例えば、実施の形態でのエゼクタ51)と、前記オフガスの流量または前記オフガスの流量に係る状態量に応じて前記換気装置の作動状態を制御する換気装置制御手段(例えば、実施の形態での制御装置5)とを備えることを特徴としている。
【0006】
上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池を収容する筐体とカソードオフガス配管とが換気配管により接続されており、カソードオフガス配管における接続部の下流側にずれた位置に水素センサが配置されていることにより、例えば各筐体及びカソードオフガス配管毎に水素センサを設ける場合に比べて、必要とされる水素センサの個数を削減することができる。
しかも、カソードオフガス配管にのみ水素センサが配置されることに伴い、燃料電池を収容する筐体とカソードオフガス流通管とが換気配管により接続されることにより、筐体内から排出される排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、換気装置による筐体内の換気動作を補助することができる。これにより、例えば筐体内の水素量が増大することがあったとしても、換気装置による換気量を増大させる必要無しに、筐体内の水素を強制的に排出させることができる。さらに、例えば筐体内から排出される排出ガスを直接、筐体の外部に排出する場合に比べて、排出ガスをオフガスに混合して排出するため、例えば筐体内の水素量が増大することがあったとしても、排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、いわば水素量を希釈して排出することができる。
さらに、エゼクタの内部を流通するオフガスのガス流によって、筐体内から排出される排出ガスが吸い込まれるようにしてオフガスと合流させられることから、カソードオフガス配管内を流通するオフガスが筐体内へと向かい流通してしまうことを確実に防止することができると共に、換気装置による筐体内の換気動作を補助することができる。
さらに、エゼクタの内部を流通するオフガスの流量が増大すると、このオフガスのガス流によって吸い込まれるようにしてオフガスと合流させられる排出ガスの流量が増大することから、例えば換気装置制御手段によって、換気装置による換気量を低減させたり、換気装置の作動を停止させても、筐体内での所望の換気作用を継続させることが可能となる。これにより、換気装置での消費電力を低減させることができ、燃料電池システムの作動効率を向上させることができる。
【0007】
さらに、請求項2に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記換気配管は、前記カソードオフガス流通管から前記筐体内へと向かう方向に前記オフガスが流通することを規制する逆止弁(例えば、実施の形態での逆止弁17)を備えることを特徴としている。
【0008】
上記構成の燃料電池システムによれば、逆止弁を備えたことにより、カソードオフガス流通管内を流通するオフガスが筐体内へと向かい流通してしまうことを確実に防止することができる。
【0009】
さらに、請求項3に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記換気装置制御手段は、前記オフガスの流量が増大した時、前記換気装置による換気量を低減させることを特徴としている。
【0013】
【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システム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システム1は、例えば、燃料電池2と、燃料電池2を内部に収容する筐体2a内を換気する換気装置3と、水素センサ4と、制御装置5と、記憶装置6とを備えて構成されている。
【0014】
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等が入口側配管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。
【0015】
燃料電池2を内部に収容する筐体2には、例えば制御装置5により駆動制御されるファン等からなる換気装置3を介して、外部から空気等の換気用の気体を取り込むための換気導入管15と、換気動作により筐体2内から排出される排出ガスを流通させる換気排出管16とが設けられている。
ここで、換気排出管16は、酸素極側の出口側配管14に設けられた合流部14aにおいて、この出口側配管14に接続されており、さらに、換気排出管16には、出口側配管14側から筐体2aへと向かう方向にガスが流通することを規制する逆止弁17が設けられている。
そして、酸素極側の出口側配管14には、換気排出管16が接続される合流部14aよりも下流側にずれた位置において、出口側配管14の鉛直方向上部にガス接触燃焼式の水素センサ4が取り付けられ、この水素センサ4により酸素極側の出口側配管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できるようになっている。
また、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流量を検出する流量検出器12aが備えられ、この流量検出器12aから出力される検出信号は制御装置5に入力されている。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
検出素子31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。
温度補償素子は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子と同等のコイル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。
例えば、検出素子31と温度補償素子32との間の電気抵抗値の差に係る状態量として、検出素子31と温度補償素子32とが適宜に接続されてなる回路の所定接点間の電圧や電流の検出値が制御装置5へ出力され、制御装置5においては、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6から検索され、水素濃度が算出される。
【0019】
本実施の形態による燃料電池システム1は上記構成を備えており、次に、この燃料電池システム1の動作について説明する。
この燃料電池システム1においては、換気装置3の作動時に筐体2内から排出される排出ガスを流通させる換気排出管16と、酸素極側の出口側配管14とが、合流部14aにて接続されていることから、この合流部14aよりも下流側において出口側配管14内には、燃料電池2から排出される酸素極側のオフガスと、筐体2内から排出される排出ガスとが混合された混合ガスが流通させられる。
これにより、合流部14aの下流側にずれた位置に配置された水素センサ4は、混合ガス中に水素が排出されていないことを確認できるようになっており、例えば排出ガス中に水素が含まれる場合、又は、オフガス中に水素が含まれる場合の何れか一方の場合に対しても、単一の水素センサ4によって水素濃度を検出することができるようになっている。
【0020】
上述したように、本実施の形態による燃料電池システム1によれば、換気装置3の作動時に筐体2内から排出される排出ガスを流通させる換気排出管16と、酸素極側の出口側配管14とが、合流部14aにて接続され、合流部14aの下流側にずれた位置に水素センサ4が配置されていることから、単一の水素センサ4によって排出ガスとオフガスとの両方のガスを検査対象とすることができる。これにより、例えば検査対象箇所毎に複数の水素センサ4を配置する場合に比べて、必要とされる水素センサ4の個数を削減することができ、燃料電池システム1の構成に要する費用の削減に資することができる。
しかも、酸素極側の出口側配管14にのみ水素センサ4が配置されることに伴い、燃料電池2を収容する筐体2aと出口側配管14とが換気排出管16により接続されることにより、筐体2a内から排出される排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、換気装置3による筐体2a内の換気動作を補助することができる。これにより、例えば筐体2a内の水素量が増大することがあったとしても、換気装置3による換気量を増大させる必要無しに、筐体2a内の水素を強制的に排出させることができる。さらに、例えば筐体2a内から排出される排出ガスを直接、筐体2aの外部に排出する場合に比べて、排出ガスをオフガスに混合して排出するため、例えば筐体2a内の水素量が増大することがあったとしても、排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、いわば水素量を希釈して排出することができる。
【0021】
なお、上述した本実施の形態においては、換気排出管16に逆止弁17を設け、出口側配管14側から筐体2aへと向かう方向にガスが流通することを規制するとしたが、これに限定されず、例えば図4に示す本実施形態の変形例のように、酸素極側の出口側配管14の合流部14aに、内部を流通するオフガスの近傍に発生する負圧によって、換気排出管16からの排出ガスを吸い込み、この排出ガスをオフガスと混合して出口側配管14の下流側へ流通させるエゼクタ51を備えてもよい。
すなわち、エゼクタ51は、例えば図5に示すように、テーパ状の内周面を有するディフューザ52の基端開口に副流室53を連接し、ディフューザ52と同軸に配置されたノズル54の先端部を、副流室53内に突き出してディフューザ52の基端開口に臨ませて構成されている。そして、酸素極側の出口側配管14からエゼクタ51に供給されるオフガスは、ノズル54の先端部からディフューザ52の基端開口に向かって噴射されており、この高速のオフガス流に引き込まれるようにして換気排出管16から副流室53内に導入された排出ガスがディフューザ52へ連行される。
【0022】
この場合、筐体2a内から排出される排出ガスが吸い込まれるようにしてオフガスと合流させられることから、酸素極側の出口側配管14を流通するオフガスが筐体2a内へと向かい流通してしまうことを確実に防止することができると共に、換気装置3による筐体2a内の換気動作を補助することができる。
すなわち、エゼクタ51の内部を流通するオフガスの流量が増大すると、このオフガスのガス流によって吸い込まれるようにしてオフガスと合流させられる排出ガスの流量が増大することから、制御装置5は、例えば流量検出器12aから出力される反応ガスの流量の検出値に基づいて、換気装置3による換気量を低減させたり、換気装置3の作動を停止させても、筐体2a内での所望の換気作用を継続させることができる。これにより、換気装置3での消費電力を低減させることができ、燃料電池システム1の作動効率を向上させることができる。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に記載の本発明の燃料電池システムによれば、例えば検査対象箇所毎に複数の水素センサを配置する場合に比べて、必要とされる水素センサの個数を削減することができ、燃料電池システムの構成に要する費用の削減に資することができる。
しかも、カソードオフガス流通管にのみ水素センサが配置されることに伴い、燃料電池を収容する筐体とカソードオフガス流通管とが換気配管により接続されることにより、筐体内から排出される排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、換気装置による筐体内の換気動作を補助することができる。これにより、例えば筐体内の水素量が増大することがあったとしても、換気装置による換気量を増大させる必要無しに、筐体内の水素を強制的に排出させることができる。さらに、例えば筐体内から排出される排出ガスを直接、筐体の外部に排出する場合に比べて、排出ガスをオフガスに混合して排出するため、例えば筐体内の水素量が増大することがあったとしても、排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、いわば水素量を希釈して排出することができる。
さらに、カソードオフガス流通管内を流通するオフガスが筐体内へと向かい流通してしまうことを確実に防止することができると共に、換気装置による筐体内の換気動作を補助することができる。
さらに、換気装置での消費電力を低減させることができ、燃料電池システムの作動効率を向上させることができる。
さらに、請求項2に記載の本発明の燃料電池システムによれば、カソードオフガス流通管内を流通するオフガスが筐体内へと向かい流通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】 本実施形態の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図5】 酸素極側の出口側配管の合流部に配置されたエゼクタの断面図である。
【符号の説明】
1 燃料電池システム
2 燃料電池
2a 筐体
3 換気装置
4 水素センサ
5 制御装置(換気装置制御手段)
14 酸素極側の出口側配管(カソードオフガス流通管)
14a 合流部(接続部)
16 換気排出管(換気配管)
17 逆止弁
51 エゼクタ
Claims (3)
- 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、
前記燃料電池を内部に収容する筐体と、前記筐体内を換気する換気装置と、
前記カソードオフガス流通管に接続され、前記換気装置の換気によって前記筐体内から排出される排出ガスを前記オフガスに合流させる換気配管と、
前記カソードオフガス流通管において前記換気配管が接続された接続部から下流側に水素を検出する水素センサと、
前記カソードオフガス流通管の前記接続部に、前記カソードオフガス流通管を流通する前記オフガスによって発生する負圧によって、前記換気配管からの前記排出ガスを吸い込むエゼクタと、
前記オフガスの流量または前記オフガスの流量に係る状態量に応じて前記換気装置の作動状態を制御する換気装置制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記換気配管は、前記カソードオフガス流通管から前記筐体内へと向かう方向に前記オフガスが流通することを規制する逆止弁を備え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。
- 前記換気装置制御手段は、前記オフガスの流量が増大した時、前記換気装置による換気量を低減させ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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