JP5219232B2 - 燃料電池を用いた給電装置 - 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校正技術に関する。
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％以下に希釈されている（特許文献２）。
特開2003-302362号公報 特開2000-243417号公報
しかしながら、ガス検出手段が基準ガスに対して所定の信号を出力しないことをもって故障と判定してガス検出手段を交換すると、燃料電池の稼働率が低下したり、ランニングコストが上昇す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不純物排出操作を積極的に利用して水素センサーの感度低下を補正し、もって稼働率の向上とランニングコストの低下を図る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。
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前記燃料電池のカソード室の排出管に排出し、また前記排出管の、前記パージされた気体が排出される位置よりも下流側に水素センサーを配置して水素の濃度を監視する制御手段を備えた燃料電池を用いた給電装置において、前記水素センサーが劣化する以前において前記アノード室をパージした後、引き続き前記アノード室から排出させた時の前記水素センサーからの水素の濃度信号と、現時点において前記アノード室をパージした後、引き続き前記アノード室から排出させた時の前記水素センサーからの水素の濃度信号との比に基づいて前記水素センサーの出力を補正するようにした。
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を校正できるため、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であるため、校正治具や基準ガス供給手段を要することなく、かつ水素センサーを流路から取り外す工事を必要とすることなく、水素濃度監視手段を校正できる。
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。
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。
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。
制御装置は、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の接続するとともに、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の校正を行うように制御する機能を備えている。
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。
この状態では水素センサー２９は空気オフガス中の水素濃度を検出する。
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を希釈室側に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の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空気オフガス排出管１３に排出する。
排出が終了した時点で、つまりアノード室１４の不純物成分が実質的に皆無となってアノード室１４が水素だけとなった時点で、三方弁１８を循環路を形成するように切換え、その直後に三方弁１８を希釈装置２０の側に切換えて再排出する。以下、アノード室１４の不純物成分を排出させてアノード室１４が水素だけとなった状態で希釈装置２０に排出させることを、本願では以下「再排出」という。
今の場合は、アノード室１４には水素だけが満たされているから、空気オフガス排出管１３に排出される気体に含まれる水素の濃度は、希釈流量、排出時間、排出圧力、排出部位の容積などにより規定値となっている。したがって、水素センサー２９からの濃度信号は、水素貯蔵容器３１の水素を既知の希釈率で希釈した濃度となり、水素センサー２９の感度を示すことになる。
このため、不純物を排出した時点での水素センサー２９の濃度信号と、再排出時の水素センサー２９の濃度信号との比を求めることにより、不純物を排出した時点の水素の濃度が適正であったか否かをチェックすることが可能となる。
また、水素センサー２９が劣化する以前の再排出での水素の濃度信号と、現時点での再排出での水素の濃度信号との比は、水素センサー２９の劣化の程度、つまり感度低下の程度を表すことになるから、この比に基づいて水素センサー２９の出力を補正することにより、水素センサー２９を補償することが可能となる。
なお、これらの補正や補償は、水素検出素子と一体に組み込まれて水素センサーを構成しているセンサー回路で行うことや、また制御手段３０の側で行うことができる。
本発明の一実施例を示す構成図である。
符号の説明
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

Claims (1)

  1. 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前記燃料電池のカソード室の排出管に排出し、また前記排出管の、前記パージされた気体が排出される位置よりも下流側に水素センサーを配置して水素の濃度を監視する制御手段を備えた燃料電池を用いた給電装置において、
    前記水素センサーが劣化する以前において前記アノード室をパージした後、引き続き前記アノード室から排出させた時の前記水素センサーからの水素の濃度信号と、現時点において前記アノード室をパージした後、引き続き前記アノード室から排出させた時の前記水素センサーからの水素の濃度信号との比に基づいて前記水素センサーの出力を補正することを特徴とする燃料電池を用いた給電装置。
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