JP3952456B2 - Fuel cell exhaust gas treatment device - Google Patents

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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の動力源となる燃料電池の排出ガス処理装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電気自動車(以下、「車両」という。)の動力源となる燃料電池システムが、例えば、純水素(以下、「水素」という。)を燃料とする場合、燃料電池システムを構成する燃料電池スタックへの水素供給は、その利用効率を上げる(燃費を良くする)ために循環系を採用している(例えば、特許文献1参照)。
循環方式としては、水素を加圧するブロアや負圧を発生させて水素を吸引するエゼクタ、水素ポンプなどを利用する。そして、循環系においては、再循環を長時間続けていると水素中の不純物の濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。また、水分が溜まって燃料電池スタックのアノード配管系内の水素の流れを悪くすることがある。
そこで、車両が信号待ちのときなどに頻繁に不純物の混じった水素や水のパージを行っている。そしてパージされる水素は、高濃度のまま排出しないように、希釈器で一定濃度以下に希釈して排出する。
尚、特許文献1には、パージされる水素を希釈して車両外に排出するという思想は開示されていない。
【0003】
【特許文献1】
特開平6-275300号公報(第4頁、図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発電中に、燃料電池スタックからのパージ水素を希釈器に送る配管の開閉弁(発電中は閉じている)が故障して開いてしまった場合、パージ水素が希釈器に送られ、希釈器から排出される水素の濃度が高くなってしまう。このような場合、希釈器から車両外に排出される水素の濃度の異常を検知して、開閉弁の故障を検知するシステムがなかった。
【0005】
そこで、本発明は、排出燃料希釈器から排出される水素の濃度を検出することで燃料電池スタックの故障を監視することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための手段として、本発明に係る請求項1の燃料電池の排出ガス処理装置は、空気と水素ガスをそれぞれ供給されて発電する燃料電池の複数の水素排出手段から排出され、滞留室に滞留された水素ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に車両外に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記滞留室から車両外に排出されるガス中の水素濃度を測定する水素センサを設け、前記水素センサの検出値に応じて前記複数の水素排出手段の故障の有無を検出する手段を備えることを特徴とする。
【0007】
このような構成としたことにより、請求項1に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、複数の水素排出手段の開閉弁が閉じている場合に、滞留室(排出燃料希釈器)の下流側で水素センサが通常よりも高濃度の水素を検出すれば、前記故障の有無を検出する手段により、開閉弁の何れかが故障して開いてしまっているのを検知することができ、開閉弁が故障していないかどうか監視することが可能になる。
ここで、水素排出手段とは、燃料電池の水素ガスの循環系の配管から分岐したパージ水素配管、アノード極のドレーン配管、加湿器のドレーン配管等のことであり、それぞれ開閉弁を備えている。
滞留室とは、燃料電池の発電の際、循環させて再使用することで生じる不純物を含んだ水素を車両外にパージするとき、このパージ水素を滞留させる排出燃料希釈器内に設けられた室であり、燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に車両外に排出する。
カソード排出ガスとは、燃料電池のカソード配管系から排出される窒素等を含んだ排出空気のことである。
また、前記故障の有無を検出する手段は、前記水素センサが所定の濃度より高濃度の水素を検出した場合、前記複数の水素排出手段の何れかが故障していると検知することを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置について実施の形態を説明する。
【0009】
参照する図面において、図1は燃料電池電気自動車における燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図、図2は本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の図である。
【0010】
図1に示すように、燃料電池電気自動車1の略中央部の床下に、燃料電池システムボックス2が搭載されている。燃料電池システムボックス2の内部には、燃料電池システム、即ち、温調器3、燃料電池スタック4、加湿器5、及び排出燃料希釈器6が車両1の前方から後方に向かって順に載置されている。燃料電池システムはこれらのほか、燃料電池システムボックス2を冷却する図示せぬラジエタ、高圧水素容器などから構成される。
【0011】
燃料電池スタック4は、高圧水素容器に貯留された燃料となる水素と、車外から取り入れた空気を供給されて発電を行い、車両1を駆動するための電気を供給する。この燃料電池スタック4を好適に作動させるために、温調器3で燃料電池スタック4に供給される水素及び空気の温度調整を行い、加湿器5で燃料電池スタック4に供給される水素及び空気を加湿する。排出燃料希釈器6は、アノード配管系からのパージ水素を放出させて滞留させ、カソード配管系からの排出空気(カソード排出ガス)と混合して希釈してから車両外に排出する。
【0012】
燃料電池スタック4で一度使用された水素は、その利用効率を上げる(燃費を良くする)ため、図2に示すように、配管7により加湿器5の上流側に戻され循環系を構成している。又、長時間再循環された水素は不純物の濃度が高くなるので、あるいは、燃料電池スタック4の内部に水が溜まるので、この水素及び水をパージするため、循環系の配管7から分岐して設けられた水素排出手段としてパージ水素配管8が排出燃料希釈器6に接続されている。パージ水素配管8には自動で作動する開閉弁9が設けられ、通常時には閉じられ、パージのときには開かれる。
また、燃料電池スタック4のアノード極のドレーン、及び加湿器5のドレーンを排出するための水素排出手段として、アノード極のドレーン配管10、及び加湿器ドレーン配管11が排出燃料希釈器6に接続されている。アノード極のドレーン配管10、及び加湿器ドレーン配管11には、それぞれ自動で作動する開閉弁12,13が設けられている。
【0013】
燃料電池スタック4から出る排気空気(カソードオフガス)を車両外に排出するために、排出燃料希釈器6を貫通してカソード配管14が設けられている。排出燃料希釈器6内のカソード配管(希釈排出部)14には、穴部17,17が設けられ、後述の滞留室18に滞留する水素を希釈して排出する。また、排出燃料希釈器6の下流側のカソード配管14には、水素センサ16が設けられ、更に下流にカソード配管14のカソード出口19が開口している。
水素センサ16は、ECU(Electronic Control Unit)21のような制御手段に接続され、ECU21は、それぞれパージ水素配管8、アノードドレーン配管10、加湿器ドレーン配管11の開閉弁9,12,13に接続され、これらの開閉弁9,12,13を開閉する。
【0014】
排出燃料希釈器6の上部には、循環系のパージ水素配管8やアノードドレーン配管10、及び加湿器ドレーン配管11から放出されるパージ水素の入口部20,20、20が設けられている。排出燃料希釈器6内は、入口部20から放出された水素の滞留室18をなす。
尚、15は逆火防止フィルタ、25は排水用孔である。
【0015】
排出燃料希釈器6では、信号待ちで車両が停止したときなどに頻繁に不純物の混じった水素のパージを行っている。ところでイグニッションスイッチを切り、燃料電池スタック4の発電を完全に停止すると、排気空気(カソードオフガス)の流れがなくなるので、排出燃料希釈器6内には車両外に排出されなかった水素が滞留することになる
【0016】
以上のように構成された本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の作用効果を図2により説明する。
カソード排気によって排出燃料希釈器6に入ったパージ水素及びドレーンは、図2に示すように、拡散して容積が拡大することでしばらく滞留したあと、流れが速く圧力が小さい排気空気が流れているカソード配管14に設けられた穴部17,17及び排水用孔25,25から、このカソード配管14内に吸い込まれ、中を流れる速度の速い排気空気と混合され、希釈されながら排気空気(カソードオフガス)の流れに引っ張られるようにしてカソード出口19から車両外に所定の低濃度(例えば、濃度1%未満)の水素となって排出され、ドレーンの水も同様にして排水される
【0017】
そこで、図2に示す開閉弁9,12,13も閉じられて、燃料電池スタック4による発電が行われている状態のとき、排出燃料希釈器6の下流側のカソードオフガス配管14に設けられた水素センサ16が、所定の低濃度(例えば、濃度1%未満)よりも高濃度の水素を検出した場合、ECU21によって、パージ水素配管8、アノードドレーン配管10、加湿器ドレーン配管11の開閉弁9,12,13から水素センサで検知して、何れの開閉弁9,12,13が故障して開いてしまっているのかを検知することができ、必要ならECU21によって、警報を発するように指示したり、図示せぬイグニッションスイッチを止めることができる。つまり、発電中(発電停止後)に、排出燃料希釈器6の下流に設けた水素センサ16の示す濃度が所定値以上のときに、いずれかの水素排出手段(開閉弁9,12,13…)が故障したものと判断する。
ちなみに、本実施形態の場合、排出燃料希釈器6下流側で所定値以上の水素濃度にならないように設計されているので、排出燃料希釈器6の下流で所定値以上の濃度の水素が検知される場合は、制御が異常(弁の故障等)であると判断する。
【0018】
以上より、排出燃料希釈器6の下流側に水素センサ16を設けることにより、排出燃料希釈器6の上流側の開閉弁9,12,13も閉じられている場合に、開閉弁9,12,13の何れが故障したのかを検出して、監視することが可能になる。必要ならECU21によって、発電を停止することができる。
【0019】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、燃料電池スタックが発電中で、複数の水素排出手段の開閉弁が閉じている場合に、排出燃料希釈器の下流側で水素センサが通常よりも高濃度の水素を検出すれば、開閉弁の何れかが故障して開いてしまっているのを検知することができ、開閉弁が故障していないかどうか監視することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料電池搭載型電気自動車における燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図である。
【図2】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の図である。
【符号の説明】
1 :燃料電池搭載型電気自動車(車両)
2 :燃料電池システムボックス
4 :燃料電池スタック
6 :排出燃料希釈器
8 :パージ水素配管
9,12,13 :開閉弁
10 :アノードドレーン配管
11 :加湿器ドレーン配管
14 :カソード配管
16 :水素センサ
17 :穴部
18 :滞留室
20 :入口部
21 :ECU
23 :換気用配管
24 :ファン
26 :配管
27 :ベントバルブ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas treatment device for a fuel cell, which is a power source for an electric vehicle.
[0002]
[Prior art]
When a fuel cell system serving as a power source of an electric vehicle (hereinafter referred to as “vehicle”) uses pure hydrogen (hereinafter referred to as “hydrogen”) as fuel, for example, to a fuel cell stack constituting the fuel cell system. The hydrogen supply employs a circulation system in order to increase its utilization efficiency (improve fuel efficiency) (see, for example, Patent Document 1).
As a circulation system, a blower that pressurizes hydrogen, an ejector that sucks hydrogen by generating a negative pressure, a hydrogen pump, or the like is used. In the circulatory system, if recirculation is continued for a long time, the concentration of impurities in hydrogen increases, which may reduce power generation efficiency. In addition, water may accumulate and deteriorate the flow of hydrogen in the anode piping system of the fuel cell stack.
Therefore, hydrogen or water with impurities is frequently purged when the vehicle is waiting for a signal. The purged hydrogen is discharged after being diluted to a certain concentration or less by a diluter so as not to be discharged at a high concentration.
Patent Document 1 does not disclose the idea of diluting the purged hydrogen and discharging it out of the vehicle.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-6-275300 (page 4, FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the open / close valve of the pipe that sends purge hydrogen from the fuel cell stack to the diluter is closed due to failure during power generation, the purge hydrogen is sent to the diluter and diluted. The concentration of hydrogen discharged from the vessel becomes high. In such a case, there has been no system for detecting a malfunction of the on-off valve by detecting an abnormality in the concentration of hydrogen discharged out of the vehicle from the diluter.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to monitor the failure of the fuel cell stack by detecting the concentration of hydrogen discharged from the discharged fuel diluter.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a means for solving the above-mentioned problems, the exhaust gas treatment device for a fuel cell according to claim 1 according to the present invention is discharged from a plurality of hydrogen discharge means of a fuel cell that is supplied with air and hydrogen gas to generate electric power. In the exhaust gas treatment apparatus for a fuel cell, the hydrogen gas retained in the retention chamber is mixed with the cathode exhaust gas discharged from the cathode of the fuel cell and then discharged outside the vehicle after dilution. A hydrogen sensor for measuring the hydrogen concentration in the discharged gas is provided, and means for detecting the presence or absence of failure of the plurality of hydrogen discharging means according to the detection value of the hydrogen sensor is provided.
[0007]
With such a configuration, in the fuel cell exhaust gas processing apparatus according to the first aspect of the present invention, when the on-off valves of the plurality of hydrogen discharge means are closed, the residence chamber (exhaust fuel diluter) If the hydrogen sensor detects hydrogen at a higher concentration than usual at the downstream side, it is possible to detect that one of the on-off valves has failed and opened by the means for detecting the presence or absence of the failure. It becomes possible to monitor whether the on-off valve has failed.
Here, the hydrogen discharge means are a purge hydrogen pipe branched from a hydrogen gas circulation system pipe of the fuel cell, an anode electrode drain pipe, a humidifier drain pipe, and the like, each having an on-off valve. .
The retention chamber is a chamber provided in the exhaust fuel diluter that retains the purged hydrogen when purging out of the vehicle the hydrogen containing impurities that are circulated and reused during power generation of the fuel cell. It is mixed with the cathode exhaust gas discharged from the cathode of the fuel cell and discharged outside the vehicle after dilution.
The cathode exhaust gas is exhaust air containing nitrogen or the like exhausted from the cathode piping system of the fuel cell.
Further, the means for detecting the presence / absence of the failure is characterized in that when the hydrogen sensor detects hydrogen having a concentration higher than a predetermined concentration, it detects that any of the plurality of hydrogen discharge means has failed. To do.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an exhaust gas treatment apparatus for a fuel cell according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0009]
In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a diagram showing a layout of a fuel cell system box in a fuel cell electric vehicle, and FIG. 2 is a diagram of an exhaust gas treatment device for a fuel cell of the present invention.
[0010]
As shown in FIG. 1, a fuel cell system box 2 is mounted under the floor at a substantially central portion of the fuel cell electric vehicle 1. Inside the fuel cell system box 2, a fuel cell system, that is, a temperature controller 3, a fuel cell stack 4, a humidifier 5, and an exhaust fuel diluter 6 are placed in order from the front to the rear of the vehicle 1. ing. In addition to these, the fuel cell system includes a radiator (not shown) for cooling the fuel cell system box 2, a high-pressure hydrogen container, and the like.
[0011]
The fuel cell stack 4 is supplied with hydrogen as fuel stored in a high-pressure hydrogen container and air taken from the outside of the vehicle to generate electric power and supply electricity for driving the vehicle 1. In order to operate the fuel cell stack 4 suitably, the temperature controller 3 adjusts the temperature of hydrogen and air supplied to the fuel cell stack 4, and the humidifier 5 supplies hydrogen and air supplied to the fuel cell stack 4. Humidify. The discharged fuel diluter 6 releases purge hydrogen from the anode piping system and retains it, mixes it with exhaust air (cathode exhaust gas) from the cathode piping system, dilutes it, and then discharges it outside the vehicle.
[0012]
The hydrogen once used in the fuel cell stack 4 is returned to the upstream side of the humidifier 5 by a pipe 7 to form a circulation system as shown in FIG. Yes. In addition, since hydrogen that has been recirculated for a long time has a high impurity concentration, or water accumulates in the fuel cell stack 4, the hydrogen and water are purged from the circulation system pipe 7 to be purged. A purge hydrogen pipe 8 is connected to the exhaust fuel diluter 6 as a provided hydrogen discharge means. The purge hydrogen pipe 8 is provided with an open / close valve 9 that operates automatically, and is closed during normal operation and opened during purge operation.
In addition, an anode drain pipe 10 and a humidifier drain pipe 11 are connected to the exhaust fuel diluter 6 as hydrogen discharge means for discharging the anode drain of the fuel cell stack 4 and the drain of the humidifier 5. ing. The anode drain pipe 10 and the humidifier drain pipe 11 are respectively provided with on-off valves 12 and 13 that automatically operate.
[0013]
In order to exhaust the exhaust air (cathode off gas) exiting from the fuel cell stack 4 to the outside of the vehicle, a cathode pipe 14 is provided through the exhaust fuel diluter 6. Holes 17 and 17 are provided in the cathode pipe (dilution discharge part) 14 in the exhaust fuel diluter 6 to dilute and discharge hydrogen staying in a stay chamber 18 described later. Further, a hydrogen sensor 16 is provided in the cathode pipe 14 on the downstream side of the exhaust fuel diluter 6, and a cathode outlet 19 of the cathode pipe 14 is opened further downstream.
The hydrogen sensor 16 is connected to control means such as an ECU (Electronic Control Unit) 21, and the ECU 21 is connected to the on-off valves 9, 12, and 13 of the purge hydrogen pipe 8, the anode drain pipe 10, and the humidifier drain pipe 11, respectively. Then, these on-off valves 9, 12, 13 are opened and closed.
[0014]
At the upper portion of the exhausted fuel diluter 6, inlet portions 20, 20, 20 for purge hydrogen discharged from the purge hydrogen pipe 8, the anode drain pipe 10, and the humidifier drain pipe 11 are provided. The exhausted fuel diluter 6 forms a residence chamber 18 for hydrogen released from the inlet 20.
In addition, 15 is a backfire prevention filter, 25 is a drainage hole.
[0015]
The exhausted fuel diluter 6 frequently purges hydrogen mixed with impurities when the vehicle stops while waiting for a signal. By the way, when the ignition switch is turned off and the power generation of the fuel cell stack 4 is completely stopped, the flow of exhaust air (cathode off-gas) disappears, so that hydrogen that has not been discharged outside the vehicle stays in the exhausted fuel diluter 6. Become .
[0016]
The operation and effect of the exhaust gas treatment device for a fuel cell of the present invention configured as described above will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2, the purge hydrogen and the drain that have entered the exhausted fuel diluter 6 by the cathode exhaust are diffused to expand the volume and stay for a while, and then the exhaust air that has a fast flow and a low pressure flows. The holes 17 and 17 and the drain holes 25 and 25 provided in the cathode pipe 14 are sucked into the cathode pipe 14, mixed with exhaust air having a high speed flowing through the cathode pipe 14, and diluted with exhaust air (cathode off-gas). ) Is discharged from the cathode outlet 19 to the outside of the vehicle as hydrogen having a predetermined low concentration (for example, a concentration of less than 1%), and the drain water is drained in the same manner .
[0017]
Therefore , the on- off valves 9, 12, and 13 shown in FIG. 2 are also closed and provided in the cathode offgas piping 14 on the downstream side of the exhaust fuel diluter 6 when power generation is performed by the fuel cell stack 4. When the hydrogen sensor 16 detects a hydrogen concentration higher than a predetermined low concentration (for example, less than 1%), the ECU 21 causes the purge hydrogen pipe 8, the anode drain pipe 10, and the humidifier drain pipe 11 to open and close the open / close valves 9. , 12 and 13 can be detected by a hydrogen sensor to detect which of the open / close valves 9, 12 and 13 is broken and opened, and if necessary, the ECU 21 instructs to issue an alarm. Or an ignition switch (not shown) can be stopped. In other words, during power generation (after power generation is stopped), when the concentration indicated by the hydrogen sensor 16 provided downstream of the discharged fuel diluter 6 is equal to or higher than a predetermined value, one of the hydrogen discharge means (open / close valves 9, 12, 13... ) Is determined to have failed.
Incidentally, in the case of the present embodiment, since it is designed not to have a hydrogen concentration higher than a predetermined value on the downstream side of the exhaust fuel diluter 6, hydrogen having a concentration higher than a predetermined value is detected downstream of the exhaust fuel diluter 6. If it is determined that the control is abnormal (valve failure, etc.).
[0018]
As described above, by providing the hydrogen sensor 16 at the downstream side of the exhaust fuel diluter 6, when also closed upstream of the on-off valve 9, 12, 13 of the emissions fuel diluter 6-off valve 9, 12 , 13 can be detected and monitored. The power generation can be stopped by the ECU 21 if necessary.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, in the fuel cell exhaust gas treatment device according to the first aspect of the present invention, when the fuel cell stack is generating electric power and the on-off valves of the plurality of hydrogen discharge means are closed, the diluted fuel is diluted. If the hydrogen sensor detects hydrogen concentration higher than normal on the downstream side of the vessel, it can be detected that one of the on-off valves has failed and opened. It will be possible to monitor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a layout of a fuel cell system box in an electric vehicle equipped with a fuel cell.
FIG. 2 is a diagram of an exhaust gas treatment device for a fuel cell according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Fuel cell mounted electric vehicle (vehicle)
2: Fuel cell system box 4: Fuel cell stack 6: Exhaust fuel diluter 8: Purge hydrogen piping 9, 12, 13: Open / close valve 10: Anode drain piping 11: Humidifier drain piping 14: Cathode piping 16: Hydrogen sensor 17 : Hole 18: Retention chamber 20: Entrance 21: ECU
23: Piping for ventilation 24: Fan 26: Piping 27: Vent valve

Claims (1)

空気と水素ガスをそれぞれ供給されて発電する燃料電池の複数の開閉弁から排出され、滞留室に滞留された水素ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に車両外に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、
前記滞留室から車両外に排出されるガス中の水素濃度を測定する水素センサと、
前記複数の開閉弁が閉じるように制御されている場合、前記水素センサが検出する水素濃度に応じて前記複数の開閉弁の故障の有無を検出する手段と、
を備え
前記故障の有無を検出する手段は、前記水素センサが所定の濃度よりも高い水素濃度を検出した場合、前記複数の開閉弁の何れかが故障して開いていると検知する
ことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
After diluting the hydrogen gas discharged from the plurality of on- off valves of the fuel cell, which are supplied with air and hydrogen gas, respectively, and stored in the retention chamber, with the cathode exhaust gas discharged from the cathode of the fuel cell In an exhaust gas treatment device for a fuel cell that is discharged outside the vehicle,
A hydrogen sensor for measuring the hydrogen concentration in the gas discharged from the residence chamber to the outside of the vehicle;
Means for detecting the presence or absence of failure of the plurality of on- off valves according to the hydrogen concentration detected by the hydrogen sensor when the plurality of on-off valves are controlled to be closed ;
Equipped with a,
The means for detecting the presence or absence of the failure is characterized in that when the hydrogen sensor detects a hydrogen concentration higher than a predetermined concentration, it detects that one of the plurality of on-off valves has failed and is open. Fuel cell exhaust gas treatment device.
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