JP2006012715A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素検出器の検出対象ガス中の湿度を十分に低下させて、結露の発生を防止することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給することによる化学反応によって発電する燃料電池５と、前記燃料電池５から排出されるオフガスが流通するオフガス流通路８、９、１４と、前記オフガス流通路８、９、１４に設けられ、前記オフガス中に含まれる水分を分離する水分離装置１５とを備え、前記水分離装置１５には、第１の排出流路１４Ａと第２の排出流路１４Ｂとが接続され、これらの排出流路のうち、流通するオフガスの湿度が低い排出流路１４Ａに前記オフガス中の水素を検出する水素検出器１を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オフガス中の水素を検出する水素検出器を有する燃料電池システムに関するものである。

近年、アノードとカソードとを備える燃料電池を有するシステムにおいて、アノード側のオフガス流路に希釈ボックスを設けてオフガス中の水素を希釈する構成のものがある。この種の技術として、希釈ボックスの下流側のオフガス流路に水素を検出する水素検出器（ガスセンサ）を設けて、水素の濃度が所定値以下に低下しているかを検知する構成を備えたものが知られている。
ところで、オフガスは、その性質上多くの水分（例えば生成水、加湿水）を含有しているため、水素検出器は水分を含んだガスに晒されることとなり、水素検出器に対する結露対策を行うことが必要となる。

例えば、特許文献１には、カソードオフガスの一部を冷却して水分を凝縮させることで除湿する除湿手段と、該除湿手段をバイパスするバイパス流通管とを、ガスセンサよりも上流側に設ける構成を有する燃料電池システムが提案されている。これによれば、除湿手段によって冷却されたオフガスを、バイパス流通管を通るオフガスと混合させて加熱することで相対湿度を低下させ、この相対湿度が低下したオフガスを水素検出器へと供給することによって、水素検出器に結露が発生することを防止している。
特開２００４−７１２５１号公報

しかしながら、従来の技術においては、除湿手段によって冷却されたオフガスを、除湿されずに水分が残留しているオフガスと混合して加熱しているため、相対湿度は低下するものの、オフガス内にはなお水分が残留しているため、水素検出器を水分から保護するためにはさらなる除湿を行うことが望まれる。

従って、本発明は、水素検出器の検出対象ガス中の湿度を十分に低下させて、結露の発生を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給することによる化学反応によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池５）と、前記燃料電池から排出されるオフガスが流通するオフガス流通路（例えば、実施の形態における水素排出流路８、空気排出流路９、排出管１４）と、前記オフガス流通路に設けられ、前記オフガス中に含まれる水分を分離する水分離装置（例えば、実施の形態における水分離装置１５）とを備え、前記水分離装置には、第１の排出流路（例えば、実施の形態における第１排出管１４Ａ）と第２の排出流路（例えば、実施の形態における第２排出管１４Ｂ）とが接続され、これらの排出流路のうち、流通するオフガスの湿度が低い排出流路に前記オフガス中の水素を検出する水素検出器（例えば、実施の形態におけるガスセンサ１）を設けたことを特徴とする。

この発明によれば、前記オフガス流通路に前記水分離装置を設けて前記オフガス中に含まれる水分を分離することで、前記オフガス中に残留する水分の量を大幅に減らすことができる。そして、前記水分離装置に接続された第１の排出流路と第２の排出流路のいずれか一方に、分離された水分とともにオフガスを流入させることで、他方の流路に流入するオフガスの前記オフガス中に残留する水分の量を低く維持することができる。これにより、一方の流路よりも他方の流路に流入するオフガスの湿度が低く維持されるので、該他方の流路に水素検出器を設けることにより、水素検出器に結露が発生することを防止でき、水素検出器を水分から保護することができる。そして、水素検出器を長期に渡り使用することが可能であり、検出される水素濃度の信頼性を高くすることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記水素含有ガスと前記酸素含有ガスのオフガスのそれぞれのオフガスを混合させる混合器を前記水分離装置の上流側に備えたことを特徴とする。

この発明によれば、前記水分離装置の上流側に前記混合器を備えることで、前記燃料電池のオフガスのそれぞれを前記混合器により十分に混合することができ、該混合されたオフガスを前記水素分離装置によって一括して水分を除去することができる。これにより、それぞれのオフガス毎に前記水分離装置を配設する必要がなく、配管のレイアウト性を向上できる。加えて、混合された状態のオフガスから水分を除去するため、オフガス中の水素濃度のムラを低減することができ、オフガス中の水素濃度を前記水素検出器により精度よく検出することができる。

請求項１に係る発明によれば、水素検出器に結露が発生することを防止でき、水素検出器を水分から保護することができる。そして、水素検出器を長期に渡り使用することが可能であり、検出される水素濃度の信頼性を高くすることができる。

請求項２に係る発明によれば、それぞれのオフガス毎に前記水分離装置を配設する必要がなく、配管のレイアウト性を向上できる。加えて、オフガス中の水素濃度を前記水素検出器により精度よく検出することができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池システムを図面と共に説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池５は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる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んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。

空気はコンプレッサ１２により所定圧力に加圧され、空気供給流路７を通って燃料電池５のカソードに供給される。燃料電池５に供給された空気は発電に供された後、燃料電池５からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、パージ水素希釈装置１３に導入される。

一方、水素タンク１１から供給される水素は、水素供給流路６を通って燃料電池５のアノードに供給される。そして、燃料電池５から排出された水素は、水素排出流路８に排出される。水素排出流路８はパージ水素希釈装置１３に接続されている。
燃料電池５から排出された水素は、水素排出流路８を介してパージ水素希釈装置１３に導入される。そして、空気排出流路９を介してパージ水素希釈装置１３に導入された空気によって水素は希釈され、希釈された水素が水分離装置１５を介して排出管１４（１４Ａ、１４Ｂ）から排出ガス（混合オフガス）として排出される。

図２は実施の形態におけるガス検出装置の要部断面図である。同図に示すように、水分離装置１５には、上下に分割された第１排出管１４Ａ、第２排出管１４Ａがそれぞれ接続され、該第１排出管１４Ａにはガスセンサ（水素検出器）１が設けられている。ガスセンサ１は、第１排出管１４Ａを流通する排出ガスの水素濃度を検出するためのものであり、このガスセンサ１の出力信号が制御装置２に入力される。
制御装置２は、例えば、ガスセンサ１から出力される検出信号と、所定の判定閾値との比較結果に応じて、燃料電池５の異常状態が発生しているか否かを判定し、異常状態であると判定した際には、警報装置（図示せず）によって警報等を出力する。

例えば図２に示すように、ガスセンサ１は水平方向に伸びる第１排出管１４Ａの長手方向、つまり水平方向に沿って長い直方形状のケース２１を備えている。ケース２１は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、長手方向両端部にフランジ部２２を備えている。
また、ケース２１の厚さ方向の端面には筒状部２６が形成され、筒状部２６の内部はガス検出部２７として形成され、ガス検出部２７の内部側面には、内側に向かってフランジ部２８が形成され、フランジ部２８の内周部分がガス導入部２９として開口形成されている。

ケース２１内には樹脂で封止された回路基板３０が設けられ、筒状部２６の内部に配置された検出素子３１および温度補償素子３２は、回路基板３０に接続されている。そして、各素子３１，３２は回路基板３０に接続された複数、例えば４個の通電用のステー３３およびリード線である白金ワイヤ３３ａにより、ガス検出部２７の底面側に配置されたベース３４や金属母材３８から、ガスセンサ１の厚さ方向に所定距離だけ離間した位置において、所定間隔を隔てて対をなすようにして配置されている。また、筒状部２６の外周面にシール材３５が取り付けられ、このシール材３５が第１排出管１４Ａの貫通孔１４ａの内周壁に密接して気密性を確保している。

検出素子３１は接触燃焼式の素子であって、電気抵抗に対する温度係数が高い白金等を含む金属線のコイルの表面が、検出対象ガスとされる水素に対して活性な貴金属等からなる触媒を坦持するアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
温度補償素子３２は、検出対象ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子３１と同等のコイルの表面がアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。

そして、検出対象ガスである水素が検出素子３１の触媒に接触した際に生じる燃焼反応の発熱により高温となった検出素子３１と、検出対象ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子３１よりも低温の温度補償素子３２との間に電気抵抗値の差が生ずることを利用し、雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺して水素濃度を検出することができるようになっている。

また、ガス検出部２７内には略矩形板状のヒータ３６が配置されている。このヒータ３６は抵抗体等から構成され、回路基板３０によって通電されることでガス検出部２７内および各素子３１，３２を加熱するものである。
加えて、ガス検出部２７内には、環境影響、例えば湿気や検出対象ガスの影響度を少なくする為に、撥水フィルタ４０やフィルタ４１が配設されている。

図３は図１に示す水分離装置１５の断面図である。同図に示すように、水分離装置１５は内部を中空に形成された箱状の本体を有している。そして、前記本体の互いに対向する側壁には、略直方体形状に形成された複数の冷媒体１６が、互い違いに水平方向に突出するように配設されている。

このように構成された水分離装置１５内に希釈装置１３から前記混合オフガスが流入すると、この混合オフガスは前記水分離装置１５内を通過する際に前記冷媒体１６により冷却されて、前記混合オフガス中の水分が前記冷媒体１６上に凝結する。これにより、前記混合オフガス中に残留する水分の量を大幅に減らすことができる。

そして、前記水分離装置１５に接続された第１排出管１４Ａと第２排出管１４Ｂのうち、第２排出管１４Ｂに、水分離装置１５により分離された水分とともにオフガスを流入させることで、第１排出管１４Ａに流入するオフガス中に残留する水分の量を低く維持することができる。これにより、第２排出管１４Ｂよりも第１排出管１４Ａに流入するオフガスの湿度が低く維持されるので、該第１排出管１４Ａに設けられたガスセンサ１に結露が発生することを防止でき、ガスセンサ１を水分から保護することができる。そして、ガスセンサ１を長期に渡り使用することが可能であり、検出される水素濃度の信頼性を高くすることができる。

また、前記水分離装置１５の上流側に前記希釈装置１３を備えることで、前記燃料電池５のアノードオフガス、カソードオフガスのそれぞれを前記希釈装置１３により十分に混合することができ、該混合されたオフガスを前記希釈装置１３によって一括して水分を除去することができる。これにより、それぞれのオフガス毎に前記水分離装置１５を配設する必要がなく、配管のレイアウト性を向上できる。加えて、混合された状態のオフガスから水分を除去するため、オフガス中の水素濃度のムラを低減することができ、オフガス中の水素濃度を前記ガスセンサ１により精度よく検出することができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態においては、検出対象ガスが水素である場合について説明したが、これに限らず他のガス（メタノール、大気等）であってもよい。
また、実施の形態においては、ガス検出素子として、ガス接触燃焼式ガスセンサ、すなわち、検出対象ガスが触媒に接触した際に燃焼する熱を利用して検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から前記検出対象ガスのガス濃度を検出するガスセンサについて説明したが、これに限られない。例えば、検出対象ガスが検出素子表面の酸素と接触離脱した時に生じる素子抵抗値が変化する事により、前記検出対象ガスのガス濃度を検出する半導体方式ガスセンサを用いてもよい。

また、実施の形態においては排出管１４を上下分割式の配管で構成した場合について説明したが、これに限られず、２重構造の配管としてもよい。また、また、除湿用の冷媒体の形状も、板状や丸管、櫛形などであってもよく、例えば自動車の冷却水放熱用のラジエータ形状でもよい。更に、流体配管内にオリフィスを設けることでガスの流速を上げることでガスの圧力を低下させて、ガスの除湿を行う方式を用いてもよい。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成図である。 図１に示すガスセンサの断面図である。 図１に示す水分離装置の断面図である。

符号の説明

１…ガスセンサ（水素検出器）
５…燃料電池
８…水素排出流路（オフガス流通路）
９…空気排出流路（オフガス流通路）
１４（１４Ａ、１４Ｂ）…排出管（オフガス流通路）
１４Ａ…第１排出管（第１の排出流路）
１４Ｂ…第２排出管（第２の排出流路）
１５…水分離装置

Claims (2)

1. 水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給することによる化学反応によって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されるオフガスが流通するオフガス流通路と、
   前記オフガス流通路に設けられ、前記オフガス中に含まれる水分を分離する水分離装置とを備え、
   前記水分離装置には、第１の排出流路と第２の排出流路とが接続され、
   前記第２の排出流路を流通するオフガスの湿度を前記第１の排出流路を流通するオフガスの湿度より低くして、
   前記第１の排出流路に水素検出器を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素含有ガスと前記酸素含有ガスのオフガスのそれぞれのオフガスを混合させる混合器を前記水分離装置の上流側に備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
   

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