WO2006054424A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2006054424A1 PCT/JP2005/019503 JP2005019503W WO2006054424A1 WO 2006054424 A1 WO2006054424 A1 WO 2006054424A1 JP 2005019503 W JP2005019503 W JP 2005019503W WO 2006054424 A1 WO2006054424 A1 WO 2006054424A1
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gas
exhaust pipe
pipe
hydrogen
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PCT/JP2005/019503
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Inventor
Kiyoshi Hoshi
Iwane Inokuchi
Original Assignee
Nissan Motor Co., Ltd.
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    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a technology for detecting a specific component concentration in a gas discharged from a fuel cell camera.
  • a hydrogen detector for example, a gas catalytic combustion type hydrogen sensor
  • a hydrogen detector is installed in the exhaust system on the power sword side to detect the hydrogen concentration in the power sword off-gas (reacted air discharged from the power sword). And then.
  • the hydrogen detector is installed in the exhaust pipe of the power sword-off gas, the hydrogen detector is always exposed to the detection target gas having a relatively high hydrogen concentration, and therefore the life of the hydrogen detector is shortened.
  • the power sword off gas contains a large amount of water droplets such as produced water and water vapor, there are problems such as breakage, deterioration and deterioration of detection accuracy due to dew condensation of the hydrogen detector.
  • Patent Document 1 a secondary flow path (bypass pipe) for sensing is provided in the exhaust pipe of the force sword off gas, and a hydrogen detector is installed in the secondary flow path to control the flow rate. Therefore, an apparatus is disclosed in which an optimal flow rate is supplied to the hydrogen detector to improve detection accuracy. In this case, since the flow rate of the detection target gas can be controlled, the amount of reaction between the hydrogen detector and the detection target gas can be reduced, and as a result, the life of the hydrogen detector can be extended.
  • Patent Document 2 provides a heater that heats the detection target gas adjacent to the upstream side of the hydrogen detector (gas sensor) to prevent condensation of the hydrogen detector. It is disclosed that damage, deterioration, and detection accuracy decrease are prevented.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-297403
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-069436
  • the present invention uses a device in the fuel cell system to detect the life of the component concentration detector when detecting the specific component concentration in the exhaust gas of the fuel cell system.
  • An object is to provide a fuel cell system capable of preventing condensation.
  • the gas that is supplied into the fuel cell case that houses the fuel cell and ventilates the fuel cell is a gas that is relatively dry from the detection target gas even after ventilation.
  • the fuel cell ventilation outlet pipe through which the gas flows after ventilating the fuel cell is joined to the exhaust pipe of the fuel cell, and the component concentration detector is installed in the fuel cell ventilation outlet pipe.
  • a flow path control device capable of controlling the gas flow is installed on the upstream side. And when detecting the specific component concentration of the gas flowing through the exhaust pipe, the flow control device is controlled to limit the amount of gas flowing from the fuel cell ventilation outlet pipe to the exhaust pipe through the component concentration detector
  • the amount of gas flowing to the exhaust pipe through the fuel cell ventilation outlet piping force component concentration detector is limited to flow through the exhaust pipe. If it is not necessary to detect the gas flowing through the exhaust pipe by introducing a part of the gas to the component concentration detector, the component concentration detector becomes relatively high by flowing the fuel cell ventilation gas through the component concentration detector. Since the gas flowing through the exhaust pipe with high hydrogen concentration and high temperature is not touched at all times, the life of the component concentration detector can be extended and condensation can be prevented.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
  • the fuel cell 1 is a polymer electrolyte fuel cell, for example, and includes a cell formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane through which hydrogen ions pass between an anode (fuel electrode) and a force sword (oxidant electrode).
  • a stacker composed of a plurality of stacked layers.
  • Hydrogen is supplied from the hydrogen supply pipe 2 as fuel to the anode of the fuel cell 1, and air is supplied from the air supply pipe 3 as oxidant to the force sword.
  • the hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode pass through the solid polymer electrolyte membrane and move to the power sword.
  • the force sword causes an electrochemical reaction with oxygen to generate electricity and generate water.
  • the reacted air on the power sword side flows to the exhaust pipe 4 as off-gas and is discharged to the atmosphere.
  • a fuel cell case 5 is provided so as to cover the fuel cell 1, and fuel cell ventilation gas is supplied into the fuel cell case 5 from the fuel cell ventilation inlet pipe 6.
  • the fuel cell ventilation inlet pipe 6 may be provided by branching from an air supply pipe (an air supply pipe downstream of the compressor that supplies air to the power sword of the fuel cell 1) 3, or a ventilation gas such as air is supplied to the fuel cell.
  • a new line may be provided for case 5.
  • the gas after ventilating the fuel cell 1 is discharged from the fuel cell ventilation outlet pipe 7.
  • the fuel cell ventilation outlet pipe 7 is joined to the exhaust pipe 4 at the downstream end thereof.
  • a gas contact combustion type hydrogen sensor 8 is installed as a component concentration detector in the middle of the fuel cell ventilation outlet pipe 7 at a position relatively close to the junction with the exhaust pipe 4.
  • An on-off valve 9 that can open and close the flow path, such as a butterfly valve, is installed as a flow path control device upstream of the hydrogen sensor 8 in the fuel cell ventilation outlet pipe 7.
  • the opening / closing of the on-off valve 9 is controlled by a control means 10 such as a microcomputer.
  • the hydrogen concentration is detected by reading the signal from the hydrogen sensor 8 corresponding to the above.
  • the fuel cell ventilation gas flows to the hydrogen sensor 8 by closing the on-off valve 9 of the fuel cell ventilation outlet pipe 7. Do not.
  • the supply of the fuel cell ventilation gas from the fuel cell ventilation inlet pipe 6 to the fuel cell case 5 is temporarily stopped. In this state, a part of the gas flowing through the exhaust pipe 4 is guided to the hydrogen sensor 8, and the hydrogen concentration in the exhaust pipe 4 can be detected.
  • the on-off valve 9 is opened except when the hydrogen concentration in the exhaust pipe 4 is detected.
  • the hydrogen sensor 8 has a relatively high hydrogen concentration, and the gas in the exhaust pipe 4 cannot be constantly touched. Degradation rate can be suppressed.
  • the exhaust gas of the fuel cell 1 flowing through the exhaust pipe 4 contains a large amount of moisture due to the characteristics of the system, but the gas in the fuel cell ventilation outlet pipe 7 is warmed by the heat generated by the fuel cell 1. Since the gas is dried at a high temperature, the surrounding gas of the hydrogen sensor 8 can be maintained as a high temperature dry gas except when the hydrogen concentration in the exhaust pipe 4 is detected. As a result, the hydrogen sensor 8 has an anti-condensation effect and is easy to condense in a low-temperature environment! / Even when used in an environment, the fuel cell ventilation gas is selectively supplied to provide a large amount of moisture. The contained gas can be shut off and condensation can be prevented.
  • the heat of the fuel cell 1 is used to heat the hydrogen sensor 8, so no additional device or energy for heating is required, thus simplifying the system. And efficient use of energy.
  • a part of gas (air) compressed by the compressor supplied to the fuel cell 1 is used for ventilation of the fuel cell 1 By flowing this through the hydrogen sensor 8, warm-up of the hydrogen sensor 8 can be promoted at low temperature startup or the like.
  • the hydrogen concentration in the exhaust pipe 4 when the hydrogen concentration in the exhaust pipe 4 is not detected, the hydrogen concentration in the fuel cell ventilation outlet pipe 7 can be detected.
  • one hydrogen sensor 8 can detect the hydrogen concentration in the exhaust pipe 4. It is also possible to selectively detect the hydrogen concentration in the fuel cell and the hydrogen concentration in the fuel cell ventilation outlet pipe 7 as necessary.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • a binos pipe 11 is added to the first embodiment, which connects the upstream side of the on-off valve 9 of the fuel cell ventilation outlet pipe 7 and the exhaust pipe 4 by bypassing the hydrogen sensor 8. is doing
  • the fuel cell ventilation gas when the hydrogen concentration in the exhaust pipe 4 is detected, the supply of the fuel cell ventilation gas is temporarily stopped to close the on-off valve 9 of the fuel cell ventilation outlet pipe 7.
  • the fuel cell ventilation gas can be discharged from the bypass pipe 9 to the exhaust pipe 4 even if the on-off valve 9 of the fuel cell ventilation outlet pipe 7 is closed.
  • the effect of the first embodiment can be obtained without stopping the supply of gas. That is, the gas in the exhaust pipe 4 can be detected without stopping the ventilation of the fuel cell case 5.
  • the hydrogen sensor 8 can be installed in the bypass pipe 11. It is necessary to provide a flow control device such as an open / close valve in the bypass pipe 11, and the final exhaust gas released to the atmosphere is Since the fuel cell ventilation gas is a gas after merging into the exhaust pipe 4, it is desirable that the hydrogen sensor 8 be installed downstream of the merging point of the fuel cell ventilation gas as configured in this embodiment. In other words, in this embodiment, the final exhaust gas discharged to the atmosphere is released by setting the junction of the bypass pipe 11 upstream from the junction of the fuel cell ventilation outlet pipe 7 including the hydrogen sensor 8. It becomes possible to detect the hydrogen concentration.
  • the pipe diameter (passage area) of the bypass pipe 11 is made smaller than the pipe diameter (passage area) of the fuel cell ventilation outlet pipe 7. In this way, the fuel cell ventilation gas can efficiently flow to the hydrogen sensor 8 without adding new control such as a valve. If this size relationship is observed, the pipe diameter ratio can be freely determined according to the purpose. For example, the ability to improve detection accuracy The pipe diameter ratio to allow the optimal flow rate to the hydrogen sensor 8 Is also possible. Needless to say, the diameter of the pipe may be adjusted by providing an orifice with an optimum diameter in the bypass pipe 11.
  • the on / off valve 9 is provided upstream of the hydrogen sensor 8 in the fuel cell ventilation outlet pipe 7 after the bypass pipe 11 is branched.
  • a three-way valve may be provided at the branch portion.
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • dew condensation detection means 12 is added to the vicinity of the hydrogen sensor 8 in the fuel cell ventilation outlet pipe 7 in the second embodiment.
  • the dew condensation detection means 12 As the dew condensation detection means 12, the humidity of the gas flowing through the exhaust pipe 4, particularly the humidity of the gas flowing through the exhaust pipe 4 and reaching the hydrogen sensor 8 (the hydrogen sensor 8 in the fuel cell ventilation outlet piping 7 Using a hygrometer that measures (humidity) and a thermometer that measures the temperature of Z or the hydrogen sensor 8, these signals are input to the control means 10.
  • the control means 10 when the humidity in the vicinity of the downstream side of the hydrogen sensor 8 is equal to or higher than a predetermined humidity, and when the temperature of Z or the hydrogen sensor 8 is equal to or lower than the predetermined temperature, it flows through the exhaust pipe 4 containing a large amount of moisture. Judging that the water temperature sensor 8 is likely to condense due to the gas, stop the detection of the hydrogen concentration in the exhaust pipe 4 by the hydrogen sensor 8, and open the on-off valve 9 of the fuel cell ventilation outlet pipe 7 Then, the fuel cell ventilation gas dried at a high temperature is supplied to the hydrogen sensor 8, and the hydrogen sensor 8 is heated and dried.
  • the predetermined humidity is, for example, a case where the humidity is 50% when the force sword-off gas is 40 ° C., and the hydrogen sensor temperature is about 30 ° C. as the predetermined temperature.
  • the hydrogen sensor 8 under the condition that the hydrogen sensor 8 is easily condensed by the gas flowing through the exhaust pipe 4 by the control means 10, the gas in the fuel cell ventilation outlet pipe 7 passes through the hydrogen sensor 8 and the exhaust pipe.
  • the on-off valve 8 By controlling the on-off valve 8 so that it flows to 4, even in the environment where condensation is likely to occur, even if the hydrogen sensor 8 starts to condense due to a gas containing a large amount of moisture, it prevents condensation by supplying the fuel cell replacement gas As a result, it is possible to prevent damage to the hydrogen sensor 8 due to condensation, deterioration, deterioration of detection accuracy, and even detection failure. wear.
  • the hydrogen sensor is likely to condense by the gas flowing in the exhaust pipe.
  • the conditions are that at least the humidity in the vicinity of the hydrogen sensor 8 is equal to or higher than the predetermined humidity, and Z or the hydrogen sensor 8
  • the amount of gas flowing to the exhaust pipe via the component concentration detector such as the fuel cell ventilation outlet pipe is limited. If it is not necessary to detect the gas flowing through the exhaust pipe by introducing a part of the gas flowing through the exhaust pipe to the component concentration detector, the fuel cell ventilation gas is passed through the component concentration detector. Since the detector does not always touch the gas flowing through the exhaust pipe having a relatively high hydrogen concentration and high temperature, the life of the component concentration detector can be extended and condensation can be prevented.

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Abstract

　燃料電池１から排気管４により排出されるカソードオフガス中の水素を検知するに際して、水素センサ８の劣化や結露を防止するため、燃料電池１を収納する燃料電池ケース５内に供給されて燃料電池１を換気した後のガスが流れる燃料電池換気出口配管７を、排気管４に合流させる。燃料電池換気出口配管７に水素センサ８を設置し、その上流側に開閉弁９を設ける。そして、排気管４を流れるガスの水素濃度を検知するときに、開閉弁９を閉じる。

Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池カゝら排出されるガス中の特定 成分濃度の検知技術に関する。
背景技術
[0002] 燃料電池システムの排出ガスについては、大気中に放出されるため、その成分濃 度 (特に水素濃度)を監視する必要がある。そのため、力ソード側の排出系に、水素 検知器 (例えばガス接触燃焼式の水素センサ）を設けて、力ソードオフガス (力ソード 力 排出される反応済みの空気）中の水素濃度を検知するようにして 、る。
[0003] しかし、水素検知器を力ソードオフガスの排気管に設置すると、水素濃度が比較的 高い検知対象ガスに常時さらされることになるため、水素検知器の寿命が短くなる。 また、力ソードオフガスには生成水等の水滴及び水蒸気が多量に含まれているため 、水素検知器のの結露による破損、劣化、検知精度低下等の問題がある。
[0004] ここで、特許文献 1には、力ソードオフガスの排気管にセンシング用の副流路 (バイ パス管）を設け、この副流路に水素検知器を設置して、流量を制御することによって、 水素検知器に最適な流量を流し、検知精度の向上を図るものが開示されている。こ のものでは、検知対象ガスの流量を制御できるため、水素検知器と検知対象ガスとの 反応量を少なく抑えることができ、結果として水素検知器の寿命の延命を図ることが できる。
[0005] また、特許文献 2には、水素検知器 (ガスセンサ）の上流側に隣接して検知対象ガ スを加熱するヒータを設けることで、水素検知器の結露を防止し、水素検知器の破損 、劣化、検知精度低下を防止することが開示されている。
[0006] [特許文献 1]特開 2003— 297403号公報
[特許文献 2]特開 2004— 069436号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題 [0007] し力しながら、特許文献 1に記載の従来技術では、センシング用の副流路のガス流 量を制御して、水素検知器の寿命を延ばすことはできる力 水素検知器に流れるガ スが多量の水分を含む力ソードオフガスであることに変わりはなぐ流量を制御しても 水素検知器の結露防止は不可能である。
[0008] また、特許文献 2に記載の従来技術では、水素検知器の結露防止のためにヒータ を用いる構成のため、新たなデバイスと電気工ネルギとを必要とし、コスト高となる。
[0009] 本発明は、このような実状に鑑み、燃料電池システムの排出ガス中の特定成分濃 度を検知するに際し、燃料電池システム内のデバイスを利用して、成分濃度検知器 の寿命延命と結露防止とを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする
課題を解決するための手段
[0010] このため、本発明では、燃料電池を収納する燃料電池ケース内に供給されて燃料 電池を換気するガスが、換気後であっても、検知対象ガスより相対的に乾燥したガス であることに着目し、燃料電池を換気した後のガスが流れる燃料電池換気出口管を、 燃料電池の排気管に合流させた上で、燃料電池換気出口配管に、成分濃度検知器 を設置し、その上流側に、ガスの流れを制御可能な流路制御装置を設置する。そし て、排気管を流れるガスの特定成分濃度を検知するときに、燃料電池換気出口配管 から成分濃度検知器を経て排気管へ流れるガス量を制限するように、流路制御装置 を制御する構成とする。
発明の効果
[0011] 本発明によれば、排気管を流れるガスの検知が必要な場合に、燃料電池換気出口 配管力 成分濃度検知器を経て排気管へ流れるガス量を制限することで、排気管を 流れるガスの一部を成分濃度検知器に導けばよぐ排気管を流れるガスの検知が不 要な場合は、成分濃度検知器に燃料電池換気ガスを流すことで、成分濃度検知器 が比較的高水素濃度でかつ高温潤な排気管を流れるガスに常時触れないため、成 分濃度検知器の寿命の延命と結露防止とを図ることができる。
[0012] また、燃料電池システムの燃料電池換気ガスを用いるので、新たなデバイスやエネ ルギを必要とせず、システムの簡素化とエネルギの効率的利用とを図ることができる。 図面の簡単な説明
[0013] [図 1]図 1は、本発明に係る燃料電池システムの第 1実施形態を示す構成図。
[図 2]図 2は、本発明に係る燃料電池システムの第 2実施形態を示す構成図。
[図 3]図 3は、本発明に係る燃料電池システムの第 3実施形態を示す構成図。
発明を実施するための最良の形態
[0014] 以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
[0015] 図 1は本発明に係る燃料電池システムの第 1実施形態を示す構成図である。
[0016] 燃料電池 1は、例えば固体高分子形燃料電池であり、水素イオンを通す固体高分 子電解質膜をアノード (燃料極)と力ソード (酸化剤極)とで挟み込んで形成したセル を複数積層して構成したスタックカゝらなる。
[0017] この燃料電池 1のアノードには、燃料として、水素供給管 2から水素が供給され、力 ソードには、酸化剤として、空気供給管 3から空気が供給される。アノードで触媒反応 により発生した水素イオンは、固体高分子電解質膜を通過して力ソードまで移動し、 力ソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、生成水を生成する。力ソード側の 反応済みの空気は、オフガスとして、排気管 4へ流れ、大気中へ排出される。
[0018] 一方、燃料電池 1を覆うように、これを収納する燃料電池ケース 5が設けられ、燃料 電池ケース 5内には、燃料電池換気入口配管 6から燃料電池換気ガスを供給するよ うにしている。燃料電池換気入口配管 6は、空気供給管 (燃料電池 1の力ソードに空 気を供給するコンプレッサ下流の空気供給管） 3から分岐させて設けてもよいし、空気 等の換気ガスを燃料電池ケース 5に供給するラインを新たに設けてもよい。そして、 燃料電池 1を換気した後のガスは、燃料電池換気出口配管 7より排出するようにして いる。
[0019] ここにおいて、燃料電池換気出口配管 7は、その下流側端部にて、排気管 4に合流 させる。そして、燃料電池換気出口配管 7の途中で、比較的排気管 4への合流部に 近い位置に、成分濃度検知器として、ガス接触燃焼式の水素センサ 8を設置する。そ して、燃料電池換気出口配管 7の水素センサ 8上流位置に、流路制御装置として、バ タフライバルブなど、流路の開閉が可能な開閉弁 9を設置する。この開閉弁 9の開閉 は、マイコン等の制御手段 10により制御し、制御手段 10では、開閉弁 9の開閉状態 に対応させて、水素センサ 8の信号を読込むことにより、水素濃度を検知する。
[0020] この燃料電池システムでは、排気管 4内の水素濃度を検知する時は、燃料電池換 気出口配管 7の開閉弁 9を閉にすることで、燃料電池換気ガスが水素センサ 8に流れ ないようにする。このとき、同時に燃料電池換気入口配管 6から燃料電池ケース 5へ の燃料電池換気ガスの供給を一時的に止める。この状態では、排気管 4を流れるガ スの一部が水素センサ 8に導かれ、排気管 4内の水素濃度を検知することができる。
[0021] 排気管 4内の水素濃度を検知しない時、あるいは、燃料電池換気出口配管 7内の 水素濃度を検知する時は、燃料電池換気出口配管 7の開閉弁 9を開にすることで、 燃料電池換気ガスが水素センサ 8に流れるようにする.この状態では、相対的に水素 濃度が低くかつ乾燥した燃料電池換気ガスにより水素センサ 8の劣化や結露を防止 することができると共に、燃料電池換気出口配管 7内の水素濃度を検知することが可 能となる。
[0022] 以上のように、排気管 4内は燃料電池換気出口配管 7内と比較して水素濃度が高 いため、排気管 4内の水素濃度を検知する時以外は、開閉弁 9を開にして、燃料電 池換気ガスを水素センサ 8に供給することにより、水素センサ 8が比較的水素濃度が 高 、排気管 4内のガスに常時触れて 、ることがな 、ため、水素センサ 8の劣化速度を 抑えることができる。
[0023] また、排気管 4を流れる燃料電池 1の排出ガスは、システムの特性上、多量の水分 を含んでいるが、燃料電池換気出口配管 7内のガスは、燃料電池 1の発熱により温め られた高温で乾燥したガスのため、排気管 4内の水素濃度を検知する時以外は、水 素センサ 8の周辺ガスを高温'乾燥ガスに維持することができる。その結果、水素セン サ 8の結露防止効果があり、低温環境下等の結露しやす!/、環境下で使用された場合 でも燃料電池換気ガスを選択的に供給することで、多量の水分を含むガスを遮断で き、結露を未然に防止することができる。
[0024] また、燃料電池換気ガスを利用することで、燃料電池 1の熱を水素センサ 8の加熱 に利用するので、デバイスの追加や加熱のためのエネルギを必要としないため、シス テムの簡素化とエネルギの効率的利用とを図ることができる。また、燃料電池 1に供 給するコンプレッサで圧縮された一部のガス (空気）を燃料電池 1の換気に用いれば 、これを水素センサ 8に流すことで、低温起動時等に水素センサ 8の暖機を促進する ことができる。
[0025] 更に、排気管 4内の水素濃度を検知しない時は、燃料電池換気出口配管 7内の水 素濃度を検知することが可能となり、その結果、 1つの水素センサ 8で、排気管 4内の 水素濃度と、燃料電池換気出口配管 7内の水素濃度とを、必要に応じ、選択的に検 知することも可能となる。
[0026] 図 2は本発明に係る燃料電池システムの第 2実施形態を示す構成図である。
[0027] 第 2実施形態では、第 1実施形態に対し、燃料電池換気出口配管 7の開閉弁 9上 流側と、排気管 4とを、水素センサ 8をバイパスして繋ぐバイノス管 11を追加している
[0028] 第 1実施形態では、排気管 4内の水素濃度の検知する際に、燃料電池換気出口配 管 7の開閉弁 9を閉にするため、燃料電池換気ガスの供給を一時的に停止する必要 があるが、この点、第 2実施形態では、燃料電池換気出口配管 7の開閉弁 9を閉じて も、燃料電池換気ガスをバイパス管 9から排気管 4へ放出できるため、燃料電池換気 ガスの供給を停止することなぐ第 1実施形態の効果を得ることができる。すなわち、 燃料電池ケース 5の換気を止めることなぐ排気管 4内のガスの検知ができる。
[0029] 水素センサ 8は、バイパス管 11に設置することも可能である力 バイパス管 11に開 閉弁等の流路制御装置を設ける必要が生じ、大気へ放出される最終的な排気ガス は燃料電池換気ガスが排気管 4へ合流した後のガスであるため、本実施形態のごと く構成して、燃料電池換気ガスの合流点より下流側に水素センサ 8を設置することが 望ましい。言い換えれば、本実施形態では、水素センサ 8を備える燃料電池換気出 口配管 7の合流点より、バイパス管 11の合流点を上流側とすることにより、大気へ放 出される最終的な排気ガスの水素濃度を検知することが可能となる。
[0030] バイパス管 11の配管径 (通路面積）は、燃料電池換気出口配管 7の配管径 (通路 面積)より小さくする。このようにすることで、バルブ等の新たな制御を追加することな ぐ燃料電池換気ガスを水素センサ 8に効率よく流すことができる。この大小関係を遵 守していれば、配管径比を目的に合わせて自由に決定することができる。例えば検 知精度向上の観点力 水素センサ 8に最適な流量を流すための配管径比とすること も可能である。また、バイパス管 11に最適な径のオリフィスを設けることにより、配管 径を調整するようにしてもょ 、ことは言うまでもな 、。
[0031] 尚、本実施形態では、流路制御装置として、バイパス管 11の分岐後の燃料電池換 気出口配管 7で、水素センサ 8上流位置に、開閉弁 9を設けているが、流路制御装置 として、分岐部に三方弁を設けるようにしてもよい。三方弁を用いる場合は、燃料電 池換気出口配管 7とバイパス管 11の配管径につ 、て上記の関係を考慮する必要は ない。
[0032] 図 3は本発明に係る燃料電池システムの第 3実施形態を示す構成図である。
[0033] 第 3実施形態では、第 2実施形態に対し、燃料電池換気出口配管 7の水素センサ 8 の近傍に、結露検知手段 12を追加している。
[0034] 結露検知手段 12としては、排気管 4を流れるガスの湿度、特に排気管 4を流れて水 素センサ 8に至るガスの湿度 (燃料電池換気出口配管 7内の水素センサ 8下流側の 湿度)を計測する湿度計、及び Z又は、水素センサ 8の温度を計測する温度計を用 い、これらの信号を制御手段 10に入力する。
[0035] 制御手段 10では、水素センサ 8下流側近傍の湿度が所定湿度以上のとき、及び Z 又は、水素センサ 8の温度が所定温度以下のときに、多量の水分を含む排気管 4を 流れるガスによって水温センサ 8が結露しやすい条件であると判断し、かかる判断時 は、水素センサ 8による排気管 4内の水素濃度の検知を止め、燃料電池換気出口配 管 7の開閉弁 9を開いて、高温で乾燥した燃料電池換気ガスを水素センサ 8に流し、 水素センサ 8の加熱、乾燥といった保護動作を行わせる。上記所定湿度としては、例 えば、力ソードオフガスが 40° Cの時湿度が 50%の場合とし、所定温度としては、水 素センサ温度が約 30° Cとする。
[0036] 本実施形態のように、制御手段 10により、排気管 4を流れるガスによって水素セン サ 8が結露しやすい条件では、燃料電池換気出口配管 7のガスが水素センサ 8を経 て排気管 4へ流れるように、開閉弁 8を制御することにより、結露しやすい環境下で、 多量の水分を含むガスによって水素センサ 8が結露し始めた場合でも、燃料電池換 気ガスの供給により結露防止が可能となり、その結果、水素センサ 8の結露による破 損、劣化、検知精度低下、更には検知不能といった事態を未然に防止することがで きる。
[0037] また、本実施形態では、排気管を流れるガスによって水素センサが結露しやす 、条 件は、少なくとも、水素センサ 8近傍の湿度が所定湿度以上のとき、及び Z又は、水 素センサ 8の温度が所定温度以下のときに、排気管 4を流れるガスによって水素セン サ 8が結露しやすい条件と判断することで、結露の発生を確実に予測して、結露を未 然に防止することができる。
[0038] 尚、第 1〜第 3実施形態において、水素を検知する必要があるときとは、例えば以 下のような場合がある。
[0039] 1)システム運転圧がある一定値以上の時 (例えば、急加速時などの高負荷運転で は、運転圧が上昇するため、電解質膜が破れて水素リークする可能性があるため）
2)運転中に溜まってくる窒素をパージする時 (窒素と一緒に水素が流出することが 想定されるため）
3)起動時のアノード側の水素置換時 (燃焼器等で処理できな力つた水素が排気管 に流れてくる可能性があるため）
もちろん、上記の場合に限らず、システムの要求に合わせて水素の検知を行えばよ いことは言うまでもない。
産業上の利用可能性
[0040] 本発明によれば、燃料電池システムの排気管を流れるガスの検知が必要な場合に 、燃料電池換気出口配管カゝら成分濃度検知器を経て排気管へ流れるガス量を制限 することで、排気管を流れるガスの一部を成分濃度検知器に導けばよぐ排気管を流 れるガスの検知が不要な場合は、成分濃度検知器に燃料電池換気ガスを流すことで 、成分濃度検知器が比較的高水素濃度でかつ高温潤な排気管を流れるガスに常時 触れないため、成分濃度検知器の寿命の延命と結露防止とを図ることができる。

Claims

請求の範囲
[1] 燃料電池と、
前記燃料電池を収納する燃料電池ケースと、
前記燃料電池に供給されたガスを外部に排出する排気管と、
前記燃料電池ケース内に供給され前記燃料電池を換気した後のガスであって前記 排気管を流れるガスより相対的に乾燥したガスが流れ、前記排気管に合流する燃料 電池換気出口配管と、
前記燃料電池換気出口配管に設置され特定成分濃度を検知する成分濃度検知 器と、
前記燃料電池換気出口配管における前記成分濃度検知器上流に設置されガスの 流れを制御可能な流路制御装置と、
前記排気管を流れるガスの特定成分濃度を検知するときに前記燃料電池換気出 口配管から前記成分濃度検知器を経て前記排気管へ流れるガス量を制限するよう に前記流路制御装置を制御する制御手段と、
を含んで構成される燃料電池システム。
[2] 前記燃料電池換気出口配管における前記流路制御装置の上流側と、前記排気管 とを、前記成分濃度検知器をバイパスして繋ぐバイパス管を設けることを特徴とする 請求項 1記載の燃料電池システム。
[3] 前記バイパス管の配管径を前記燃料電池換気配管の配管径よりも小さくすることを 特徴とする請求項 2記載の燃料電池システム。
[4] 前記制御手段は、前記排気管を流れるガスによって前記成分濃度検知器が結露し やすい条件では、前記燃料電池換気出口配管のガスが前記成分濃度検知器を経て 前記排気管へ流れるように、前記流路制御装置を制御す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。
[5] 前記排気管を流れるガスによって前記成分濃度検知器が結露しやす 、条件は、少 なくとも、前記排気管を流れるガスの湿度が所定湿度以上のときとすることを特徴とす る請求項 4記載の燃料電池システム。
[6] 前記排気管を流れるガスによって前記成分濃度検知器が結露しやす 、条件は、少 なくとも、前記成分濃度検知器の温度が所定温度以下のときとすることを特徴とする 請求項 4に記載の燃料電池システム。
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