JP4919609B2 - Power supply device using fuel cell - Google Patents
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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。 The present invention relates to a power supply apparatus having a function of monitoring the concentration of hydrogen discharged to an exhaust system of a fuel cell, and more particularly to monitoring of a hydrogen sensor that detects the concentration of hydrogen and zero correction.
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。
Since this hydrogen sensor is an extremely important element for safely operating the fuel cell, for example, as described in
That is, in a system having a gas detection means capable of detecting hydrogen in a gas flow path through which air off-gas flows, a reference gas, that is, a predetermined concentration of hydrogen is supplied from the gas detection means of the exhaust system on the cathode side at a predetermined timing. Is also supplied to the upstream side, and the presence or absence of failure of the gas detection means is determined based on whether or not a predetermined output is obtained.
On the other hand, when impurities such as nitrogen are supplied to the anode, the output characteristics of the fuel cell deteriorate. Therefore, as shown in
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。
On the other hand, in the case of detecting hydrogen, a catalytic combustion type gas sensor in which an oxidation catalyst layer is formed on the heater is used, but for reasons of explosion prevention, it passes through a flame extinguishing filter configured by sintering metal powder. It is comprised so that test gas may be taken in. On the other hand, the gas discharged from the exhaust system of a fuel cell is generally hot and humid, so that condensation occurs in the flame extinguishing filter, making it impossible to detect the test gas, or changing the sensor zero point to the negative side. There are problems such as estimating the concentration of hydrogen exhausted at a low level.
The present invention has been made in view of such a problem, and it is possible to positively utilize the impurity discharge operation of the anode in the power supply device using the fuel cell to perform the operation check and zero correction of the hydrogen sensor. It is providing the electric power generating apparatus using a fuel cell.
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、所定時間経過後、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、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、不純物の排出操作時に、所定の希釈率で希釈された規定水素濃度値及び前記水素センサーにより検出された水素濃度値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ようにした。 In order to achieve such a problem, in the present invention, hydrogen is circulated to the anode chamber of the fuel cell, and after a predetermined time has passed, the anode chamber is purged, and the purged gas is supplied at a predetermined dilution rate. in and discharged to the discharge pipe, in the power supply apparatus using a fuel cell having means for monitoring the concentration of hydrogen by placing a hydrogen sensor in the discharge pipe was or, when the discharge operation of the impurities, diluted at a predetermined dilution ratio and to execute the correction of the detection and zeros shift in the operation state of the hydrogen sensor on the basis of the specified hydrogen concentration value and the hydrogen concentration value detected by the hydrogen sensor.
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。 Since it is possible to check the hydrogen sensor and correct the zero point by positively using the power supply equipment and operation, operations such as supplying a reference gas from the outside to the hydrogen sensor are not required, and the hydrogen sensor is installed regardless of the installation position of the hydrogen sensor. The sensor can be checked easily.
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。
FIG. 1 shows an embodiment of a power supply apparatus using a fuel cell of the present invention. An air supply pipe 12 and an air off-gas discharge pipe 13 are provided in a cathode chamber 11 of the fuel cell 10 and an anode. A hydrogen supply pipe 15 and a hydrogen return pipe 16 are connected to the
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。
The hydrogen circulation path is formed to be switchable between a circulation path and a discharge path by a three-way valve 18. In the
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。
A
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。
As shown in FIG. 2, the
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。
The
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。
The apparatus configured in this manner normally supplies hydrogen in a state where hydrogen is circulated through the
When the operation time continues for a predetermined time and the concentration of impurities in the
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。
If the
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。
Thus, when there is no change in the signal from the
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。
On the other hand, when the signal of the
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。
By the way, in the impurity evacuation operation, hydrogen is diluted at a specified dilution rate, and the hydrogen concentration in the
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。
Accordingly, since the difference between the specified value and the hydrogen concentration value detected by the
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。
In the above-described embodiment, the case where the
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 11 Cathode chamber 12 Air supply pipe 13 Air off
Claims (1)
不純物の排出操作時に、所定の希釈率で希釈された規定水素濃度値及び前記水素センサーにより検出された水素濃度値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。 While cyclically supplying hydrogen to the anode chamber of the fuel cell, after a predetermined time, purging said anode compartment, the purged gas is discharged to the discharge pipe at a predetermined dilution ratio of hydrogen to the exhaust pipe was or In a power supply apparatus using a fuel cell equipped with a sensor to monitor the hydrogen concentration,
When the impurity is discharged , detection of the operating state of the hydrogen sensor and correction of zero shift are executed based on the specified hydrogen concentration value diluted at a predetermined dilution rate and the hydrogen concentration value detected by the hydrogen sensor. A power supply device using a featured fuel cell.
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