JP5368672B2 - Fuel cell exhaust gas composition analyzer and gas analysis method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately analyze composition of exhaust gas of a fuel cell without receiving any effect of composition components. <P>SOLUTION: The exhaust gas composition analysis system in a fuel cell module is equipped with the fuel cell 100, a gas analyzer 200 to analyze the exhaust gas of the fuel cell 100, a valve 21 to guide the exhaust gas from the fuel cell 100 to the gas analyzer 200, a mass flow controller 22 to smoothly adjust a mass flow rate of the exhaust gas sent out to the gas analyzer 200, a sampling pump 23 to make sampling of the exhaust gas from the fuel cell 100 and smoothly send it out to the gas analyzer 200. By this, it can send out the exhaust gas sampled from a constant amount of the mass flow rate to the gas analyzer 200 without receiving any effect of the composition components. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、燃料電池排気ガス組成分析装置及びガス分析方法に係り、特に燃料電池（本体）から排出される排気ガスの組成を分析するための排気ガス組成分析システムを備えた燃料電池モジュールに関する。   The present invention relates to a fuel cell exhaust gas composition analyzer and a gas analysis method, and more particularly to a fuel cell module including an exhaust gas composition analysis system for analyzing the composition of exhaust gas discharged from a fuel cell (main body).

従来、燃料電池モジュールの運転に際しては、その運転条件を良好に維持することや、生活環境に対する負荷の軽減等を考慮して、燃料電池（本体）から排出される排気ガスの組成を正確に把握することが重要な課題となっている。特に、燃料電池モジュールの運転条件に正確な排気ガスの組成が反映されない場合は、適切でない運転条件下において、燃料電池モジュールの稼働中に燃料電池スタックの電解質膜から水分が蒸発することで、電解質膜の含水率が低下する。さらに、この時、アノード（陰極）極側から燃料ガス（例えば水素）がカソード（陽極）極側に移動する際に同時に水分子も移動し、特にアノード極側において乾燥が生じ易くなる。これらの現象を放置すると、電解質膜の電気抵抗が増大して発熱し、燃料電池の出力低下や故障を来たすことになる。   Conventionally, when operating a fuel cell module, the composition of the exhaust gas discharged from the fuel cell (main body) is accurately grasped in consideration of maintaining its operating conditions well and reducing the burden on the living environment. It has become an important issue. In particular, when the exact exhaust gas composition is not reflected in the operating conditions of the fuel cell module, the moisture is evaporated from the electrolyte membrane of the fuel cell stack during operation of the fuel cell module under the inappropriate operating conditions. The moisture content of the membrane decreases. Further, at this time, when fuel gas (for example, hydrogen) moves from the anode (cathode) electrode side to the cathode (anode) electrode side, water molecules also move at the same time, and drying tends to occur particularly on the anode electrode side. If these phenomena are left unattended, the electric resistance of the electrolyte membrane increases and heat is generated, resulting in a decrease in output and failure of the fuel cell.

このため、従来は、図４に示すような排気ガス組成分析システムによって燃料電池から排出される排気ガスの組成を分析していた。図４は、従来の燃料電池モジュールにおける排気ガス組成分析システムを示す構成図である。   For this reason, conventionally, the composition of the exhaust gas discharged from the fuel cell has been analyzed by an exhaust gas composition analysis system as shown in FIG. FIG. 4 is a block diagram showing an exhaust gas composition analysis system in a conventional fuel cell module.

図４に示すように、従来の燃料電池モジュールにおける排気ガス組成分析システムは、燃料電池９０から排出される排気ガスをサンプリングしてガス分析計９１で分析するものであるが、燃料電池９０とガス分析計９１との間には、燃料電池９０から排出される排気ガスの流量を絞って調節するサンプル流量調整用オリフィス９２と、排気ガスをサンプリングして円滑にガス分析計９１に送出するサンプリングポンプ９３とを配置している。   As shown in FIG. 4, a conventional exhaust gas composition analysis system in a fuel cell module samples exhaust gas discharged from a fuel cell 90 and analyzes it with a gas analyzer 91. Between the analyzer 91, a sample flow rate adjusting orifice 92 that adjusts the flow rate of the exhaust gas discharged from the fuel cell 90 by narrowing down, and a sampling pump that samples the exhaust gas and sends it smoothly to the gas analyzer 91 93.

サンプル流量調整用オリフィス９２が、燃料電池９０から排出される排気ガスの流量を一定量に絞って調節し、さらにサンプリングポンプ９３でサンプリングすることにより、排気ガスラインを流れる排気ガスからサンプリングされた排気ガスのサンプリング流量は、所定の一定量に調整されてガス分析計９１に送出される。図４に示す構成によれば、ガス分析計９１に送出される排気ガスのサンプル流量が一定に維持されるので、ガス分析計９１の応答速度の変化に起因する測定データの誤差を回避することができる。   The sample flow rate adjusting orifice 92 adjusts the flow rate of the exhaust gas discharged from the fuel cell 90 to a fixed amount, and further samples by the sampling pump 93, so that the exhaust gas sampled from the exhaust gas flowing through the exhaust gas line The sampling flow rate of the gas is adjusted to a predetermined amount and sent to the gas analyzer 91. According to the configuration shown in FIG. 4, the sample flow rate of the exhaust gas sent to the gas analyzer 91 is kept constant, so that an error in measurement data caused by a change in the response speed of the gas analyzer 91 can be avoided. Can do.

なお、この分野に関連する特許出願として、特開２００４−２２１０２０号公報には、燃料電池スタック内の乾燥（特にアノード極側における乾燥）を防ぐための加湿器（より具体的には反応ガスの気化器）に供給される反応ガスの供給量を所望量に調節するためにマスフローコントローラを使用する技術が開示されている（特許文献１）。   As a patent application related to this field, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-221020 discloses a humidifier (more specifically, a reaction gas) for preventing drying in the fuel cell stack (especially, drying on the anode electrode side). A technique of using a mass flow controller to adjust the supply amount of the reaction gas supplied to the vaporizer) to a desired amount is disclosed (Patent Document 1).

また、特開２００６−１４５３４１号公報には、燃料ガスモジュールの各部を流れるガスの正確な定量分析を可能にするため、サンプリングガスを調量するための音速ノズルの上流に、サンプリングガスの主成分とは異なる成分を有する希釈ガスと、サンプリング流量測定用のトレーサガスとを導入することで、サンプリングガスの主成分ガス組成が変化することに起因するサンプリグ誤差の増加を防止するガスサンプリング法が開示されている（特許文献２）。
特開２００４−２２１０２０号公報（段落００３９、００４０等） 特開２００６−１４５３４１号公報（段落００３８等） Japanese Patent Laid-Open No. 2006-145341 discloses a main component of the sampling gas upstream of the sonic nozzle for metering the sampling gas in order to enable accurate quantitative analysis of the gas flowing through each part of the fuel gas module. Disclosed is a gas sampling method that prevents an increase in sampling error caused by a change in the main component gas composition of a sampling gas by introducing a diluent gas having a component different from that of a gas and a tracer gas for measuring a sampling flow rate (Patent Document 2).
JP-A-2004-221020 (paragraphs 0039, 0040, etc.) JP 2006-145341 A (paragraph 0038, etc.)

しかしながら、上記従来の技術にあっては、燃料電池の排気ガスの組成成分によってガス粘性が異なりサンプル流量が変化することまでは考慮されていなかった。排気ガスの組成に応じて粘性が変化するとサンプル流量が変化することになり、希釈率が変化し、正確な濃度の測定ができないという問題点があった。   However, in the above prior art, it has not been taken into account that the gas viscosity varies depending on the composition component of the exhaust gas of the fuel cell and the sample flow rate changes. When the viscosity changes according to the composition of the exhaust gas, the sample flow rate changes, so that the dilution rate changes and there is a problem that accurate concentration measurement cannot be performed.

また、燃料電池からサンプリングされる排気ガスの流量が変化すると、燃料電池自体の性能も変化させてしまう可能性も生じるので、性能や排気ガスデータ等の試験データの信頼度も低下するという問題点があった。   In addition, if the flow rate of the exhaust gas sampled from the fuel cell changes, there is a possibility that the performance of the fuel cell itself will also change, so the reliability of test data such as performance and exhaust gas data also decreases. was there.

具体的には、排気ガスの正確な組成分析を行うためには、ガス分析計（図４参照）として質量分析計を使用する必要が有り、この場合、従来のようにサンプル流量の調整をオリフィスで行うと、燃料電池の排気ガスには水分が含まれるため、組成毎のガス粘性の差によって最大２倍もの流量誤差が生じることが判明している。   Specifically, in order to perform an accurate composition analysis of exhaust gas, it is necessary to use a mass spectrometer as a gas analyzer (see FIG. 4). In this case, since the exhaust gas of the fuel cell contains moisture, it has been found that a flow rate error of up to twice occurs due to the difference in gas viscosity for each composition.

より具体的には、燃料電池の排気ガスは、運転条件やサンプリングポイントによっては、サンプル中に高濃度の水分（最大５０〔ｖｏｌ％〕程度）と、最大８０〔％〕程度の水素（Ｈ2）とが含まれる。例えば、空気雰囲気を１００〔ｍｌ／分〕でサンプリングしていても、ガス組成が変化し、水素（Ｈ2）が高濃度になると、オリフィスを通過する排気ガスの流量は約２倍になることがある。これは、オリフィスを通過する際に排気ガスの粘性に違いが作用し、ガス種によって、流れ易い場合と流れ難い場合との違いが生じるからである。 More specifically, depending on the operating conditions and sampling points, the exhaust gas of the fuel cell contains a high concentration of moisture (up to about 50 vol%) and up to about 80% hydrogen (H 2). ) And For example, even if the air atmosphere is sampled at 100 [ml / min], if the gas composition changes and the concentration of hydrogen (H 2 ) becomes high, the flow rate of the exhaust gas passing through the orifice will be approximately doubled. There is. This is because when the gas passes through the orifice, a difference is exerted on the viscosity of the exhaust gas, and depending on the type of gas, there is a difference between the case where it is easy to flow and the case where it is difficult to flow.

なお、前述の特許文献１に開示されている技術は、本発明と同様にマスフローコントローラを使用する技術ではあっても、このマスフローコントローラが使用されている部位は、本発明とは違って、反応ガスの供給路であり、反応ガスを所望量に正確に加湿する機能は加湿器（より具体的には反応ガスの気化器）が独自に備える機能としており、この機能の実現と、マスフローコントローラの使用とは、直接的にも間接的にも因果関係を有していない。   Although the technique disclosed in Patent Document 1 described above is a technique that uses a mass flow controller as in the present invention, the site where the mass flow controller is used differs from the present invention in that the reaction This is a gas supply channel, and the function of accurately humidifying the reaction gas to the desired amount is a function that the humidifier (more specifically, the vaporizer of the reaction gas) is uniquely equipped. Use has no causal relationship, either directly or indirectly.

また、前述の特許文献２に開示されている技術は、サンプリング流量測定用のトレーサガスの導入を必要とし、製造コストと運転コストとが共に高くなり、さらに、生活環境に対して新たな負荷を負わせることになる。   In addition, the technique disclosed in Patent Document 2 described above requires the introduction of a tracer gas for measuring the sampling flow rate, which increases both the manufacturing cost and the operating cost, and further places a new burden on the living environment. It will be defeated.

そこで本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池の排気ガスの組成を、組成成分の粘性の相違による影響を受けずに正確に分析することができる燃料電池排気ガス組成分析装置を提供することを目的としている。   Accordingly, in order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell exhaust gas composition analyzer that can accurately analyze the composition of the exhaust gas of a fuel cell without being affected by the difference in the viscosity of the composition components. The purpose is to do.

本発明の他の目的は、燃料電池の排気ガスの組成を、組成成分の粘性の相違による影響を受けずに正確に分析することを可能として、燃料電池スタックの電解質膜の乾燥による電気抵抗の増大に起因する発熱を防止し、燃料電池の出力低下を抑止すると共に、故障を防止することにある。   Another object of the present invention is to make it possible to accurately analyze the composition of the exhaust gas of the fuel cell without being affected by the difference in the viscosity of the composition components, and to reduce the electric resistance due to the drying of the electrolyte membrane of the fuel cell stack. The heat generation due to the increase is prevented, the output decrease of the fuel cell is suppressed, and the failure is prevented.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池排気ガス組成分析装置は、燃料電池から排出される排気ガスを分析する分析手段を備えた燃料電池排気ガス組成分析装置であって、燃料電池から排出される排気ガスをサンプリングする流量制限手段と、サンプリングされた前記排気ガスの質量流量を調節するマスフローコントローラと、質量流量が調節された前記排気ガスを送出する強制流通手段と、送出された前記排気ガスの組成を分析するガス分析手段と、を備え、前記マスフローコントローラは、前記排気ガスの流量を検出する流量センサ部と、検出された前記排気ガスの流量に対応するセンサ流量信号と設定流量に対応する設定流量信号とを比較して誤差信号を出力する比較制御回路と、前記誤差信号に基づいて開度が調整されるバルブ部であって、前記センサ流量信号と前記設定流量信号とが同じになるまで開度を調整するバルブ部と、前記マスフローコントローラを前記排気ガスの水分の凝集を防止可能な程度に加熱する加熱手段と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a fuel cell exhaust gas composition analyzer of the present invention is a fuel cell exhaust gas composition analyzer provided with an analyzing means for analyzing exhaust gas discharged from a fuel cell. Flow rate limiting means for sampling the exhaust gas to be discharged, a mass flow controller for adjusting the mass flow rate of the sampled exhaust gas, a forced flow means for sending the exhaust gas whose mass flow rate has been adjusted, and the sent out Gas analysis means for analyzing the composition of the exhaust gas , wherein the mass flow controller detects a flow rate of the exhaust gas, a sensor flow rate signal corresponding to the detected flow rate of the exhaust gas, and a set flow rate A comparison control circuit that compares the set flow rate signal corresponding to the output signal and outputs an error signal, and a valve whose opening degree is adjusted based on the error signal. And a heating unit that heats the mass flow controller to an extent that prevents aggregation of moisture in the exhaust gas, and a valve unit that adjusts an opening until the sensor flow rate signal and the set flow rate signal are the same. It is characterized by including these.

このような構成により、燃料電池の排気ガスの組成を、組成成分の粘性の相違による影響を受けずに正確に分析することを可能にしている。そして、燃料電池スタックの電解質膜の乾燥による電気抵抗の増大に起因する発熱を防止し、燃料電池の出力低下を抑止すると共に、故障を防止することを可能にしている。またマスフローコントローラを加熱することによって水分の凝縮を防止し、粘度の差異によって測定誤差が生じることを防止している。 With such a configuration, the composition of the exhaust gas of the fuel cell can be accurately analyzed without being affected by the difference in the viscosity of the composition components. Further, heat generation due to an increase in electrical resistance due to drying of the electrolyte membrane of the fuel cell stack can be prevented, a decrease in the output of the fuel cell can be suppressed, and a failure can be prevented. Further, the condensation of moisture is prevented by heating the mass flow controller, and measurement errors due to the difference in viscosity are prevented.

また、前記燃料電池排気ガス組成分析装置において、前記ガス分析手段による分析結果を表示器に表示する手段をさらに備えたことを特徴とする。   The fuel cell exhaust gas composition analyzer further includes means for displaying an analysis result by the gas analysis means on a display.

このような構成により、ガス分析手段で分析される排気ガスの質量流量を表示器で表示して把握できるようにしている。   With such a configuration, the mass flow rate of the exhaust gas analyzed by the gas analyzing means is displayed on the display so as to be grasped.

また、本発明は、燃料電池モジュールの燃料電池から排出される排気ガスを分析するガス分析方法であって、燃料電池から排出される排気ガスをサンプリングする流量制限工程と、マスフローコントローラを用いて、サンプリングされた前記排気ガスの質量流量を調節する工程と、質量流量が調節された前記排気ガスを送出する強制流通工程と、送出された前記排気ガスの組成を分析するガス分析工程と、を有し、前記排気ガスの質量流量を調整する工程は、前記排気ガスの流量を検出する工程と、検出された前記排気ガスの流量に対応するセンサ流量信号と設定流量に対応する設定流量信号とを比較して誤差信号を出力する工程と、前記誤差信号に基づいて開度が調整する工程であって、前記センサ流量信号と前記設定流量信号とが同じになるまで開度を調整する工程と、前記排気ガスの水分の凝集を防止可能な程度に前記マスフローコントローラを加熱する工程と、を備えることを特徴とする。 Further, the present invention is a gas analysis method for analyzing the exhaust gas discharged from the fuel cell of the fuel cell module, using a flow rate limiting step for sampling the exhaust gas discharged from the fuel cell, and a mass flow controller , A step of adjusting a mass flow rate of the sampled exhaust gas, a forced flow step of sending the exhaust gas adjusted in mass flow rate , and a gas analysis step of analyzing the composition of the sent exhaust gas. The step of adjusting the mass flow rate of the exhaust gas includes a step of detecting the flow rate of the exhaust gas, a sensor flow rate signal corresponding to the detected flow rate of the exhaust gas, and a set flow rate signal corresponding to the set flow rate. A step of comparing and outputting an error signal, and a step of adjusting an opening based on the error signal, wherein the sensor flow rate signal and the set flow rate signal are the same A step of adjusting the opening until the, characterized in that it comprises a step of heating the mass flow controller to a degree capable of preventing the aggregation of water of the exhaust gas.

このような構成により、燃料電池の排気ガスの組成を、組成成分の粘性の相違による影響を受けずに正確に分析することを可能にする。そして、燃料電池スタックの電解質膜の乾燥による電気抵抗の増大に起因する発熱を防止し、燃料電池の出力低下を抑止すると共に、故障を防止することができるガス分析方法を実現している。   With such a configuration, the composition of the exhaust gas of the fuel cell can be accurately analyzed without being affected by the difference in the viscosity of the composition components. And the gas analysis method which can prevent the heat_generation | fever resulting from the increase in the electrical resistance by drying of the electrolyte membrane of a fuel cell stack, suppress the output fall of a fuel cell, and can prevent a failure is implement | achieved.

本発明の燃料電池排気ガス組成分析装置によれば、燃料電池の排気ガスの組成を、組成成分の粘性の相違による影響を受けずに正確に分析することを可能にし、ひいては、燃料電池スタックの電解質膜の乾燥による電気抵抗の増大に起因する発熱を防止し、燃料電池の出力低下を抑止すると共に、故障の発生を防止できる燃料電池排気ガス組成分析装置を提供することができる。 According to the fuel cell exhaust gas composition analysis apparatus of the present invention, the composition of the exhaust gases of fuel cells, it possible to accurately analyze without being affected by differences in the viscosity of the composition components, thus, the fuel cell stack of the electrolyte membrane dryer prevent heat generation due to the electric resistance increases due to the, as to suppress the reduction in the output of the fuel cell, Ru can provide a fuel cell exhaust gas composition analysis device capable of preventing the occurrence of a failure.

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、例えば、電気自動車に搭載するハイブリッド燃料電池システムに適用することができる。しかし、以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。 Next, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
The embodiment of the present invention can be applied to, for example, a hybrid fuel cell system mounted on an electric vehicle. However, the following embodiments are merely examples of the application form of the present invention, and do not limit the present invention.

この実施形態は、燃料電池の排気ガスを、マスフローコントローラで一定の流量質量に調節してガス分析計に送出することにより、ガス組成の変化による流量の変化率を最大１０〔％〕程度に抑制できるように制御するものである。   In this embodiment, the rate of change in the flow rate due to the change in gas composition is suppressed to a maximum of about 10% by adjusting the exhaust gas of the fuel cell to a constant flow mass with a mass flow controller and sending it to the gas analyzer. It controls to be able to.

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態に係る排気ガス組成分析システムを示す構成図である。
図１に示すように、本燃料電池モジュールにおける排気ガス組成分析システムは、燃料電池１００と、燃料電池１００の排気ガスを分析するガス分析計２００と、燃料電池１００からの排気ガスをガス分析計２００に導くバルブ２１と、ガス分析計２００に送出する排気ガスの質量流量を調節するマスフローコントローラ２２と、燃料電池１００からの排気ガスをサンプリングしてガス分析計２００に円滑に送出するサンプリングポンプ２３と、を備える。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram showing an exhaust gas composition analysis system according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, an exhaust gas composition analysis system in the fuel cell module includes a fuel cell 100, a gas analyzer 200 that analyzes exhaust gas from the fuel cell 100, and a gas analyzer that analyzes exhaust gas from the fuel cell 100. A valve 21 that leads to the gas analyzer 200, a mass flow controller 22 that adjusts the mass flow rate of the exhaust gas delivered to the gas analyzer 200, and a sampling pump 23 that samples the exhaust gas from the fuel cell 100 and delivers it smoothly to the gas analyzer 200. And comprising.

燃料電池１００は、水の電気分解の逆反応を起こすものであり、アノード（陰極）極側には燃料ガス供給系統１からアノードガスである水素ガスが供給される。カソード（陽極）極側にはカソードガス供給系統から酸素を含んだカソードガスである空気が供給される。アノード極側では式（１）のような反応を、カソード極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。   The fuel cell 100 causes a reverse reaction of water electrolysis, and hydrogen gas, which is anode gas, is supplied from the fuel gas supply system 1 to the anode (cathode) electrode side. Air, which is a cathode gas containing oxygen, is supplied from the cathode gas supply system to the cathode (anode) electrode side. A reaction such as the formula (1) is caused on the anode electrode side, and a reaction such as the formula (2) is caused on the cathode electrode side to circulate electrons and to pass a current.

Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２） H 2 → 2H + + 2e − (1)
2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)

アノードガス供給系としては、アノードガス供給源としての水素タンク、アノードガス供給路、アノードオフガス排出路を備える（いずれも図示は省略する）。その他、図示しないが、水素ガスを流通させるための水素ポンプ、水素ガスの管理制御のために必要な元弁や調整弁、遮断弁、逆止弁、気液分離器等を備えていてもよい。   The anode gas supply system includes a hydrogen tank as an anode gas supply source, an anode gas supply path, and an anode off-gas discharge path (all not shown). In addition, although not shown, a hydrogen pump for circulating hydrogen gas, a main valve and a regulating valve, a shut-off valve, a check valve, a gas-liquid separator, etc. necessary for hydrogen gas management control may be provided. .

ガス分析計２００は、排気ガスの組成を分析するものであるが、含水率等を計測する際の希釈率を正確に求めるために、質量分析計を備えていてもよい。このガス分析計２００はオプショナルなものであり、排気ガスサンプリングの目的に応じて種々に変更可能なものである。   The gas analyzer 200 analyzes the composition of the exhaust gas, but may include a mass spectrometer in order to accurately determine the dilution rate when measuring the moisture content and the like. The gas analyzer 200 is optional and can be variously changed according to the purpose of exhaust gas sampling.

バルブ２１は、電磁式に排気ガスの流通を遮断・開放するシャットバルブ（遮断弁）としての構成を備えており、燃料電池１００からの排気ガスをガス分析計２００に導くためのものであるが、排気ガスの組成分析を行わない場合は閉じられていてよい。   The valve 21 has a configuration as a shut valve (shutoff valve) that electromagnetically shuts off / opens the flow of exhaust gas, and guides exhaust gas from the fuel cell 100 to the gas analyzer 200. When the composition analysis of the exhaust gas is not performed, it may be closed.

マスフローコントローラ２２は、ガス分析計２００に送出する排気ガスの質量流量を調節するための構成要素であり、具体的な構成は後述する。マスフローコントローラ２２としては、排気ガスの組成に起因する調整誤差を１０〔％〕程度か、或いは１０〔％〕以下に抑えるものを使用することが好ましい。サンプル流量を設定することにより、サンプル組成が変化したとしても１０〔％〕以内の流量変化に制限されるように流量制御するような構成となっている。マスフローコントローラ２２の流入口と流出口における排気ガスの差圧は０．０５〔％〕以上を確保するものとする。   The mass flow controller 22 is a component for adjusting the mass flow rate of the exhaust gas sent to the gas analyzer 200, and a specific configuration will be described later. As the mass flow controller 22, it is preferable to use a controller that suppresses an adjustment error due to the composition of the exhaust gas to about 10% or less than 10%. By setting the sample flow rate, even if the sample composition changes, the flow rate is controlled so as to be limited to a flow rate change within 10%. The differential pressure of exhaust gas at the inlet and outlet of the mass flow controller 22 is assumed to be 0.05% or more.

なお、マスフローコントローラ２２として、市販のマスフローコントローラを使用することができるが、市販のマスフローコントローラでは、排気ガスの組成に起因する調整誤差の指標として選んだコンバージョンファクタ（即ち、ガス濃度１００〔ｖｏｌ％〕において、各社の製品を比較すると、窒素ガス（Ｎ2）を基準にした流量）には、余り差が見られない。ちなみに、各社の製品で、最も変化量の大きい成分は水（Ｈ2Ｏ）であるが、この成分（即ち水）がサンプル中に１００〔％〕存在する状態は実際には有り得ず、即ち、他のガス成分が混入されている状態が常態であるので、マスフローコントローラを使用すれば、流量変化は、実質的には５〔％〕程度に制御することが可能となる。 Note that a commercially available mass flow controller can be used as the mass flow controller 22, but in the commercially available mass flow controller, a conversion factor (that is, a gas concentration of 100 [vol%] selected as an adjustment error index due to the composition of exhaust gas is used. ], The product of each company is compared, and there is not much difference in the flow rate based on nitrogen gas (N 2 ). By the way, water (H 2 O) is the component with the largest amount of change in the products of each company, but it is not actually possible for this component (ie water) to be present in the sample at 100%. Since the state in which other gas components are mixed is a normal state, if the mass flow controller is used, the flow rate change can be substantially controlled to about 5%.

なお、燃料電池１００とガス分析計２００との間に設置された設備全体は、水分の凝縮を防止するために加熱するように構成しておくことが好ましい。ちなみに、マスフローコントローラも加熱できる構造のものを利用する。加熱手段に限定はなく、発熱体も用いるものや一定温度の媒体を周囲に流通させるものを利用可能である。   Note that the entire equipment installed between the fuel cell 100 and the gas analyzer 200 is preferably configured to be heated in order to prevent moisture condensation. By the way, the mass flow controller that can be heated is used. There is no limitation on the heating means, and those using a heating element and those circulating a medium at a constant temperature can be used.

図１に示す排気ガス組成分析システムでは、サンプリングポンプ２３をマスフローコントローラ２２の後段に配置しているので、サンプリングポンプ２３はマスフローコントローラ２２で質量流量が調整された排気ガスをサンプリングしてガス分析計２００に送出することになる。   In the exhaust gas composition analysis system shown in FIG. 1, the sampling pump 23 is arranged at the rear stage of the mass flow controller 22, so that the sampling pump 23 samples the exhaust gas whose mass flow rate is adjusted by the mass flow controller 22 to sample the gas analyzer. 200.

図３は、本排気ガス組成分析システムを構成するマスフローコントローラの詳細な構成を示す構成図である。
図３に示すマスフローコントローラ２２は、質量流量を検出する流量検出センサ部１、排気ガスが流入する金属細管２、金属細管２の上流と下流の温度により抵抗値が変化する２つの発熱感温抵抗線３、２つの発熱感温抵抗線３の抵抗値の差をセンス電圧値の差として検出し出力するブリッジ回路４、ブリッジ回路４の出力電圧を増幅する増幅回路５、電気回路用の電源６、後述する比較回路９の比較結果を表示する表示器７、比較回路９に比較の基準となる基準電圧値を設定する設定器８、増幅回路５の出力電圧値と設定器８で設定された基準電圧値とを比較する比較制御回路９、比較制御回路９による比較結果に基づいて制御されるソレノイドバルブ１０、及びソレノイドバルブ１０によって開閉されるバルブ１１を備える。 FIG. 3 is a configuration diagram showing a detailed configuration of the mass flow controller constituting the exhaust gas composition analysis system.
The mass flow controller 22 shown in FIG. 3 includes a flow rate detection sensor unit 1 that detects a mass flow rate, a metal thin tube 2 into which exhaust gas flows, and two heat-generating temperature-sensitive resistors whose resistance values change depending on the upstream and downstream temperatures of the metal thin tube 2. A bridge circuit 4 for detecting and outputting a difference between resistance values of the wire 3 and the two heat-generating temperature-sensitive resistance wires 3 as a difference between sense voltage values, an amplifier circuit 5 for amplifying the output voltage of the bridge circuit 4, and a power source 6 for an electric circuit A display 7 for displaying a comparison result of a comparison circuit 9 to be described later, a setting unit 8 for setting a reference voltage value serving as a reference for comparison in the comparison circuit 9, and an output voltage value of the amplification circuit 5 and a setting unit 8 A comparison control circuit 9 that compares a reference voltage value, a solenoid valve 10 that is controlled based on a comparison result by the comparison control circuit 9, and a valve 11 that is opened and closed by the solenoid valve 10 are provided.

流量検出センサ部１を構成する金属細管２は、排気ガス流路のバイパス流路となっている。金属細管２の２箇所（上流部と下流部）には発熱感温抵抗線３が巻き付けられている。発熱感温抵抗線３を構成する素材は例えば温度に感応する抵抗電線である。   The metal thin tube 2 constituting the flow rate detection sensor unit 1 is a bypass flow path of the exhaust gas flow path. The exothermic temperature-sensitive resistance wire 3 is wound around two places (upstream part and downstream part) of the metal thin tube 2. The material constituting the exothermic temperature-sensitive resistance wire 3 is, for example, a resistance wire that is sensitive to temperature.

金属細管２の上流部に巻き付けられた発熱感温抵抗線３は、金属細管２の該上流部の温度に対応した抵抗値を検出するためのものである。また、金属細管２の下流部に巻き付けられた発熱感温抵抗線３は、金属細管２の該下流部の温度に対応した抵抗値を検出するためのものである。   The heat-generating temperature sensitive resistance wire 3 wound around the upstream portion of the metal thin tube 2 is for detecting a resistance value corresponding to the temperature of the upstream portion of the metal thin tube 2. Further, the heat-generating temperature sensitive resistance wire 3 wound around the downstream portion of the metal thin tube 2 is for detecting a resistance value corresponding to the temperature of the downstream portion of the metal thin tube 2.

ここで、金属細管２に排気ガスが流れると、排気ガスが金属細管２の前記上流部の温度が奪われる。このとき、金属細管２の前記下流部の温度も前記排気ガスによって奪われるが、この下流部には、前記上流部から奪われた温度が熱伝導されるので、この下流部の温度は前記上流部の温度よりも高くなる。この金属細管２における上流部と下流部との温度差は、金属細管２を流れる排気ガスの質量流量に比例する。この温度差は、前記２つの発熱感温抵抗線３の抵抗値の差異を生じさせ、ブリッジ回路４を介してセンス電圧の差（即ちブリッジ回路４の出力電圧値）として検出される。   Here, when the exhaust gas flows through the metal thin tube 2, the exhaust gas loses the temperature of the upstream portion of the metal thin tube 2. At this time, the temperature of the downstream portion of the metal thin tube 2 is also taken away by the exhaust gas. Since the temperature taken away from the upstream portion is thermally conducted to the downstream portion, the temperature of the downstream portion is the upstream side. It becomes higher than the temperature of the part. The temperature difference between the upstream portion and the downstream portion in the metal thin tube 2 is proportional to the mass flow rate of the exhaust gas flowing through the metal thin tube 2. This temperature difference causes a difference in resistance value between the two heat-generating and temperature-sensitive resistance lines 3, and is detected as a difference in sense voltage (that is, an output voltage value of the bridge circuit 4) via the bridge circuit 4.

次に、ブリッジ回路４の出力電圧は増幅回路５で増幅され、センサ流量信号として比較制御回路９の比較電圧端子の一方に入力される。比較制御回路９の比較電圧端子の他方には、設定器８により設定された基準電圧（即ち設定流量信号）が入力されている。   Next, the output voltage of the bridge circuit 4 is amplified by the amplifier circuit 5 and input to one of the comparison voltage terminals of the comparison control circuit 9 as a sensor flow rate signal. A reference voltage (that is, a set flow rate signal) set by the setter 8 is input to the other comparison voltage terminal of the comparison control circuit 9.

比較制御回路９の比較結果である排気ガスの流量は、表示器７で表示されると共に、ソレノイドバルブ１０に伝達されてソレノイドバルブ１０のソレノイド部に掛かる電流を制御する。これにより、バルブ１１が開または閉の方向に回され、排気ガスの流量が変化する。排気ガスの流量が変化すると、前述のセンサ流量信号が変化する。   The flow rate of the exhaust gas, which is the comparison result of the comparison control circuit 9, is displayed on the display 7 and is transmitted to the solenoid valve 10 to control the current applied to the solenoid portion of the solenoid valve 10. As a result, the valve 11 is rotated in the opening or closing direction, and the flow rate of the exhaust gas changes. When the flow rate of the exhaust gas changes, the aforementioned sensor flow rate signal changes.

このような一連のフィードバックシステムにより、設定流量信号とセンサ流量信号とが同じになるまでバルブ１１の開度が調整され、設定流量信号で設定した質量流量が自動的に維持されて流路に流される。   With such a series of feedback systems, the opening degree of the valve 11 is adjusted until the set flow rate signal and the sensor flow rate signal become the same, and the mass flow rate set by the set flow rate signal is automatically maintained and flows into the flow path. It is.

なお、燃料電池１００から排出される排気ガス、及びガス分析系２００から排出される分析済の排気ガスは、大気中に廃棄されるものとは限らず、適当な処理を施した後、循環的に再使用することも可能である。   Note that the exhaust gas discharged from the fuel cell 100 and the analyzed exhaust gas discharged from the gas analysis system 200 are not necessarily discarded into the atmosphere, but after being subjected to appropriate treatment, It can be reused.

以上、本実施形態１によれば、マスフローコントローラ２２の設置により、排気ガスの質量流量が正確に調節されてサンプリングされ、ガス分析計２００に送出されるので、燃料電池の排気ガスの組成成分の粘性によらずに燃料電池から排出される排気ガスの組成に応じた流量を正確に分析することが可能となり、燃料電池から排出される排気ガスの組成を正確に分析することができる。また、燃料電池スタックの電解質膜の乾燥による電気抵抗の増大に起因する発熱を防止し、燃料電池の出力低下を抑止すると共に、故障を防止することが可能となる効果が得られる。   As described above, according to the first embodiment, the mass flow controller 22 is installed so that the mass flow rate of the exhaust gas is accurately adjusted and sampled and sent to the gas analyzer 200. It is possible to accurately analyze the flow rate according to the composition of the exhaust gas discharged from the fuel cell regardless of the viscosity, and to accurately analyze the composition of the exhaust gas discharged from the fuel cell. Further, it is possible to prevent heat generation due to an increase in electrical resistance due to drying of the electrolyte membrane of the fuel cell stack, to suppress a decrease in the output of the fuel cell, and to prevent a failure.

本実施形態１によれば、マスフローコントローラ２２は、ガス分析計２００で分析される排気ガスの質量流量を自動的に調節できる。 According to the present embodiment 1, the mass flow controller 22 can automatically adjust the mass flow rate of the exhaust gas to be analyzed by gas analyzer 200.

また、本実施形態１によれば、ガス分析計２００による分析結果を表示器７に表示することが可能なので、ガス分析計２００で分析される排気ガスの質量流量を表示器７で表示して把握することで、運転者が排気ガスの質量流量を確認することができる。   Further, according to the first embodiment, since the analysis result by the gas analyzer 200 can be displayed on the display unit 7, the mass flow rate of the exhaust gas analyzed by the gas analyzer 200 is displayed on the display unit 7. By grasping, the driver can confirm the mass flow rate of the exhaust gas.

さらに、本実施形態１によれば、マスフローコントローラとして加熱可能な構造のものを使用すれば、加熱することによって水分の凝縮を防止し、粘性の差異による測定誤差をさらに緩和することができる燃料電池ガス組成分析装置を提供することができる。   Furthermore, according to the first embodiment, if a mass flow controller having a heatable structure is used, the fuel cell can prevent condensation of moisture by heating, and can further reduce measurement errors due to viscosity differences. A gas composition analyzer can be provided.

（参考例）
本発明の参考例として、ガス組成分析装置の異なる構成を示す。
図２は、本参考例に係る燃料電池モジュールにおける排気ガス組成分析システムを示す構成図である。 ( Reference example )
As a reference example of the present invention, a different configuration of a gas composition analyzer is shown.
FIG. 2 is a configuration diagram showing an exhaust gas composition analysis system in the fuel cell module according to this reference example .

図２に示すように、本燃料電池モジュールにおける排気ガス組成分析システムは、燃料電池１００と、燃料電池１００の排気ガスを分析するガス分析計２００と、燃料電池１００からの排気ガスをガス分析計２００に導くバルブ２１と、ガス分析計２００に送出する排気ガスの質量流量を調節するマスフローコントローラ２２と、燃料電池１００からの排気ガスをサンプリングしてガス分析計２００に円滑に送出するサンプリングポンプ２３と、を備える。   As shown in FIG. 2, the exhaust gas composition analysis system in the fuel cell module includes a fuel cell 100, a gas analyzer 200 that analyzes the exhaust gas of the fuel cell 100, and a gas analyzer that analyzes the exhaust gas from the fuel cell 100. A valve 21 that leads to the gas analyzer 200, a mass flow controller 22 that adjusts the mass flow rate of the exhaust gas delivered to the gas analyzer 200, and a sampling pump 23 that samples the exhaust gas from the fuel cell 100 and delivers it smoothly to the gas analyzer 200. And comprising.

特に、本参考例の排気ガス組成分析システムでは、サンプリングポンプ２３をマスフローコントローラ２２の前段に配置している点で、上記実施形態１と異なる。個々の構成要素については実施形態１と同様なので説明を省略する。 In particular, the exhaust gas composition analysis system of the present reference example is different from the first embodiment in that the sampling pump 23 is disposed in the front stage of the mass flow controller 22. Since individual components are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.

このようにサンプリングポンプ２３をマスフローコントローラ２２の前段に設けたことにより、マスフローコントローラ２２はサンプリングポンプ２３でサンプリングされた排気ガスの質量流量を調整してガス分析計２００に送出することになる。   Thus, by providing the sampling pump 23 in front of the mass flow controller 22, the mass flow controller 22 adjusts the mass flow rate of the exhaust gas sampled by the sampling pump 23 and sends it to the gas analyzer 200.

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、サンプリング手段としてバルブ２１とサンプリングポンプ２３を設置したが、このバルブ２１をオリフィスとする構成も可能である。また、サンプリングポンプ２３としては、強制的に排気ガスを流通させることができるものであれば、その構成に限定はない。 (Other embodiments)
The present invention can be applied with various modifications other than the above embodiment.
For example, in the above embodiment, the valve 21 and the sampling pump 23 are installed as sampling means, but a configuration in which the valve 21 is an orifice is also possible. Further, the configuration of the sampling pump 23 is not limited as long as the exhaust gas can be forced to flow.

さらに、上記実施形態ではガス分析手段としてガス分析計を用いていたが、これに限定されず、定流量化された排気ガスを利用することでメリットがある構成であれば、測定手段であるか積極的な利用手段であるかを問わず適用可能である。このとき、流通させるガスは燃料電池の排気ガスに限定されない。よって、ガス分析に代えて定量的にサンプリングされるガスの利用目的を任意に変更可能である。どのような利用目的があるにせよ、混合ガスの組成によって流量が変動するようなことがなく、一定量の混合ガスを供給可能であるため、定量的なガス利用を図る目的の発明に適用可能である。   Further, in the above embodiment, the gas analyzer is used as the gas analysis means. However, the present invention is not limited to this, and is a measurement means if it has a merit by using the exhaust gas whose flow rate is constant. It can be applied regardless of whether it is an active means of use. At this time, the gas to be circulated is not limited to the exhaust gas of the fuel cell. Therefore, the purpose of use of the gas sampled quantitatively instead of the gas analysis can be arbitrarily changed. Regardless of the purpose of use, the flow rate does not fluctuate depending on the composition of the mixed gas, and a certain amount of mixed gas can be supplied, so it can be applied to inventions aimed at quantitative gas utilization It is.

すなわち、本発明は、所定の混合ガスを利用するガス利用装置において、所定の混合ガスをサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段の前又は前記サンプリング手段の後に前記混合ガスの質量流量を調節するマスフローコントローラと、前記質量流量が調節された前記混合ガスを利用するガス利用手段と、を備えたことを特徴とする混合ガス利用装置として構成することも可能である。   That is, the present invention relates to a sampling unit that samples a predetermined mixed gas in a gas utilization device that uses a predetermined mixed gas, and a mass flow that adjusts the mass flow rate of the mixed gas before or after the sampling unit. It is also possible to configure as a mixed gas utilization device comprising a controller and a gas utilization means that utilizes the mixed gas with the mass flow rate adjusted.

本発明の実施形態に係る排気ガス組成分析システムを示す構成図1 is a configuration diagram showing an exhaust gas composition analysis system according to an embodiment of the present invention. 本発明の参考例に係る排気ガス組成分析システムを示す構成図Configuration diagram showing an exhaust gas composition analysis system according to a reference example of the present invention 本排気ガス組成分析システムを構成するマスフローコントローラの構成図Configuration diagram of mass flow controller that constitutes this exhaust gas composition analysis system 従来の排気ガス組成分析システムを示す構成図Configuration diagram showing a conventional exhaust gas composition analysis system

符号の説明Explanation of symbols

１…流量検出センサ部、２…ソレノイド、３…金属細管、４…ブリッジ回路、５…増幅回路、６…電源、７…表示器、８…設定器、９…比較制御回路、１０…ソレノイドバルブ、１１…バルブ（電磁駆動）、２１…バルブ（手動）、２２…マスフローコントローラ、２３…サンプリングポンプ、１００…燃料電池、２００…ガス分析計 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Flow rate detection sensor part, 2 ... Solenoid, 3 ... Metal thin tube, 4 ... Bridge circuit, 5 ... Amplification circuit, 6 ... Power supply, 7 ... Display, 8 ... Setting device, 9 ... Comparison control circuit, 10 ... Solenoid valve , 11 ... Valve (electromagnetic drive), 21 ... Valve (manual), 22 ... Mass flow controller, 23 ... Sampling pump, 100 ... Fuel cell, 200 ... Gas analyzer

Claims (3)

燃料電池から排出される排気ガスを分析する分析手段を備えた燃料電池排気ガス組成分析装置であって、
前記燃料電池から排出される排気ガスをサンプリングする流量制限手段と、
サンプリングされた前記排気ガスの質量流量を調節するマスフローコントローラと、
質量流量が調節された前記排気ガスを送出する強制流通手段と、
送出された前記排気ガスの組成を分析するガス分析手段と、
を備え、
前記マスフローコントローラは、
前記排気ガスの流量を検出する流量センサ部と、
検出された前記排気ガスの流量に対応するセンサ流量信号と設定流量に対応する設定流量信号とを比較して誤差信号を出力する比較制御回路と、
前記誤差信号に基づいて開度が調整されるバルブ部であって、前記センサ流量信号と前記設定流量信号とが同じになるまで開度を調整するバルブ部と、
前記マスフローコントローラを前記排気ガスの水分の凝集を防止可能な程度に加熱する加熱手段と、を含む
ことを特徴とする燃料電池排気ガス組成分析装置。 A fuel cell exhaust gas composition analyzer comprising an analysis means for analyzing exhaust gas discharged from a fuel cell,
Flow rate limiting means for sampling the exhaust gas discharged from the fuel cell;
A mass flow controller for adjusting the mass flow rate of the sampled exhaust gas;
Forced flow means for delivering the exhaust gas having a controlled mass flow rate;
Gas analysis means for analyzing the composition of the exhaust gas sent out ;
Equipped with a,
The mass flow controller is
A flow rate sensor for detecting the flow rate of the exhaust gas;
A comparison control circuit for comparing the detected sensor flow signal corresponding to the detected flow rate of the exhaust gas and the set flow rate signal corresponding to the set flow rate to output an error signal;
A valve portion whose opening is adjusted based on the error signal, the valve portion adjusting the opening until the sensor flow rate signal and the set flow rate signal are the same;
A fuel cell exhaust gas composition analyzer , comprising: heating means for heating the mass flow controller to a degree that prevents aggregation of moisture in the exhaust gas. 前記ガス分析手段による分析結果を表示器に表示する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池排気ガス組成分析装置。 Claim 1 Symbol placement of the fuel cell exhaust gas composition analysis apparatus characterized by further comprising means for displaying on the display an analysis result by said gas analysis means. 燃料電池から排出される排気ガスを分析するガス分析方法であって、
前記燃料電池から排出される排気ガスをサンプリングする流量制限工程と、
マスフローコントローラを用いて、サンプリングされた前記排気ガスの質量流量を調節する工程と、
質量流量が調節された前記排気ガスを送出する強制流通工程と、
送出された前記排気ガスの組成を分析するガス分析工程と、を有し、
前記排気ガスの質量流量を調整する工程は、
前記排気ガスの流量を検出する工程と、
検出された前記排気ガスの流量に対応するセンサ流量信号と設定流量に対応する設定流量信号とを比較して誤差信号を出力する工程と、
前記誤差信号に基づいて開度が調整する工程であって、前記センサ流量信号と前記設定流量信号とが同じになるまで開度を調整する工程と、
前記排気ガスの水分の凝集を防止可能な程度に前記マスフローコントローラを加熱する工程と、を備える
ことを特徴とするガス分析方法。 A gas analysis method for analyzing exhaust gas discharged from a fuel cell,
A flow rate limiting step of sampling exhaust gas discharged from the fuel cell;
With Ma scan flow controller, a step of adjusting the mass flow rate of the sampled the exhaust gas,
A forced flow step of delivering the exhaust gas having a controlled mass flow rate;
A gas analysis step of analyzing the composition of the dispatched the exhaust gas, was closed,
The step of adjusting the mass flow rate of the exhaust gas includes:
Detecting the flow rate of the exhaust gas;
Comparing a sensor flow rate signal corresponding to the detected flow rate of the exhaust gas with a set flow rate signal corresponding to a set flow rate, and outputting an error signal;
Adjusting the opening degree based on the error signal, adjusting the opening degree until the sensor flow rate signal and the set flow rate signal are the same;
Heating the mass flow controller to such an extent that aggregation of moisture in the exhaust gas can be prevented .
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