JP2006253096A - 燃料電池の異常検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は燃料電池の異常検知装置に関し、クロスリークの発生を正確に検知できるようにする。
【解決手段】 燃料電池のカソードオフガス通路に酸化触媒成分を含む触媒４６を配置するとともに、この触媒４６の上流側と下流側の温度差、或いは、触媒４６の上流側と触媒４６上の温度差を検出する温度差検出手段４２，４４を設ける。また、カソードオフガス通路内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段４８を設ける。そして、温度差検出手段４２，４４により検出される温度差が所定温度以下であって、且つ、酸素濃度検出手段４８により検出される酸素濃度が所定濃度以下のときに、燃料電池に異常、すなわち、クロスリークが生じていると判断する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池内での異常の発生、特に、クロスリークの発生を検知する燃料電池の異常検知装置に関する。

燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有している。アノードに水素を含むアノードガスが接触し、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが接触することによって両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。

このような燃料電池において、アノードを流れるアノードガスとカソードを流れるカソードガスは、電解質膜によって分離されている。しかし、一部のアノードガスはアノード側からカソード側に電解質膜を透過し、逆に一部のカソードガスはカソード側からアノード側に電解質膜を透過している。ガスが電解質膜を透過する現象、すなわちクロスリークは、電解質膜の劣化が進むにつれて顕著になる。特許文献１等には、カソードからのオフガスに含まれる水素を水素濃度センサで検出し、カソードオフガス中の水素濃度が所定の基準値を超えたら警報を出力する技術が開示されている。
特開２００４−２０３３０号公報 特開２００３−３０２３６５号公報 特開平６−２２３８５０号公報 特開２００２−２８９２３７号公報 特開平９−１４７８９５号公報

しかしながら、クロスリークによってカソード側に水素が漏れ出した場合、必ずしもカソードオフガス中の水素濃度が上昇するとは限らない。カソード中の触媒は、水素を酸素と反応させて燃焼させる燃焼触媒としても機能するため、カソードガス中に酸素が十分に残っている場合には、漏れ出た水素はカソード上で酸素と反応して燃焼してしまう。この場合、カソードオフガス中の水素濃度は上昇せず、水素濃度からクロスリークの発生を検知することができない。クロスリークによって水素濃度が上昇するのは、クロスリークが生じている場所がカソードの出口付近である場合等、漏れ出た水素がカソード中の触媒に触れる機会が少ないケースに限られる。多くのケースでは、クロスリークによって漏れ出た水素はカソード上で酸素と反応して燃焼してしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、クロスリークの発生を正確に検知できるようにした燃料電池の異常検知装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の異常検知装置であって、
燃料電池のカソードオフガス通路に配置された酸化触媒成分を含む触媒と、
前記触媒の上流側と下流側の温度差、或いは、前記触媒の上流側と前記触媒上の温度差を検出する温度差検出手段と、
前記カソードオフガス通路内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
前記温度差検出手段により検出される温度差が所定温度以下であって、且つ、前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度が所定濃度以下のときに前記燃料電池に異常が生じていると判断する判定手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、前記判定手段は、前記カソードオフガス通路を流れるカソードオフガスの流量が所定量以下のときに判定を行うことを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記温度差検出手段により検出される温度差から前記カソードオフガス通路内の水素濃度を推定する水素濃度推定手段を備えることを特徴としている。

第４の発明は、第３の発明において、前記水素濃度推定手段は、前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度を参酌して水素濃度を推定することを特徴としている。

また、第５の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の異常検知装置であって、
燃料電池のカソードオフガス通路に配置された水素濃度センサと、
前記カソードオフガス通路に配置された酸素濃度センサと、
前記水素濃度センサにより検出される水素濃度が所定濃度以下であって、且つ、前記酸素濃度センサにより検出される酸素濃度が所定濃度以下のときに前記燃料電池に異常が生じていると判断する判定手段と、
を備えることを特徴としている。

第１の発明において、燃料電池内でクロスリークが発生した場合、カソード側に漏れ出た水素はカソード上でカソードガス中の酸素と反応して燃焼してしまう可能性が高い。このため、多量の水素がカソード側に漏れ出たとしても、カソードオフガス中に含まれて燃料電池外に排出される水素の量は少ない。したがって、カソードオフガス通路に配置された触媒上での燃焼反応は小さく、触媒の上流側と下流側の温度差、或いは触媒の上流側と触媒上の温度差は大きくならない。また、カソードガス中の酸素は水素との燃焼によって消費されるため、カソードオフガス中に残存する酸素の量はクロスリークが無い場合に比較して大幅に減少し、カソードオフガス通路内の酸素濃度は低下する。第１の発明によれば、温度差が所定温度以下であって、且つ、酸素濃度が所定濃度以下のときを燃料電池の異常と判断することで、クロスリークの発生を正確に検知することができる。

第２の発明によれば、カソードオフガスにより持ち去られる熱量を少なくすることができ、誤判定を防止することができる。

第３の発明によれば、カソードオフガスに含まれる水素の濃度を推定することができる。さらに、第４の発明によれば、水素濃度に応じて変化する酸素濃度を参酌することで、カソードオフガス中の水素濃度をより正確に推定することができる。

また、第５の発明によれば、カソードオフガス通路に水素濃度センサと酸素濃度センサを配置し、各センサの出力をそれぞれの基準値と比較するだけで、クロスリークの発生を正確に検知することができる。

以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの概略構成を示す図である。この図に示すように、燃料電池システムは、燃料電池スタック２を備えている。燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池セルを積層されて構成されている。各燃料電池セルは、図示は省略するが、プロトン伝導性の電解質膜の両側をアノード及びカソードで挟まれ、さらにその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。

燃料電池スタック２には、アノードガスを供給するためのアノードガス通路８と、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス通路１０が接続されている。アノードガス通路８の上流端は図示しないアノードガス供給源（高圧水素タンクや改質器等）に接続され、その下流には流量計１８、シャットバルブ２０、及び調圧弁２２が順に配置されている。アノードガスは調圧弁２２で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス通路１０に排気される。アノードオフガス通路１０の下流端は、エジェクタ等の循環装置２４を介してアノードガス通路８における調圧弁２２の下流側に接続されている。アノードオフガスは循環装置２４を介して再びアノードガス通路８に送り出される。

アノードオフガス通路１０の途中には、アノードオフガスを循環系外に排出するためのアノードオフガス排出通路１２が接続されている。アノードオフガス排出通路１２の途中には排気バルブ２６が配置され、その下流端は希釈器１６に接続されている。排気バルブ２６は所定のタイミングで開かれ、排気バルブ２６が開くことで循環系内に滞留している窒素等の不純物がアノードオフガス排出通路１２を通って外部に放出される。その際、アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器１６内で希釈用ガスによって十分に低い濃度まで希釈される。

また、燃料電池スタック２には、カソードガスを供給するためのカソードガス通路４と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス通路６が接続されている。カソードガス通路４にはコンプレッサ１４が配置されており、コンプレッサ１４の作動によってカソードガス通路４に空気が取り込まれ燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス通路６に排気される。カソードオフガス通路６は希釈器１６に接続され、カソードオフガスは希釈用ガスとして使用される。

本燃料電池システムは、カソードオフガス通路６の途中に検出部４０を備えている。図２は、検出部４０の構成を詳細に示す図である。検出部４０には、２つの温度センサ４２，４４と酸素濃度センサ４８が配置されている。２つの温度センサ４２，４４はカソードオフガス通路６の上流と下流に距離をあけて配置されている。このうち、下流側の温度センサ４４の先端には触媒４６が担持されている。触媒４６は酸化触媒成分を含む燃焼触媒である。カソードオフガス中に水素が含まれている場合、水素が触媒４６上で酸素と燃焼反応を起こすことで、下流側温度センサ４４の検出温度は上流側温度センサ４２の検出温度よりも上昇する。したがって、２つの温度センサ４２，４４の温度差を測定することで、カソードオフガス中に含まれる水素の濃度を推定することができる。また、酸素濃度センサ４８は、下流側温度センサ４４のさらに下流に配置されている。これら各センサ４２，４４，４８には、燃料電池スタック２の状態を監視する監視装置３０が接続されている。

監視装置３０は、各センサ４２，４４，４８からの情報に基づいて、燃料電池スタック２内でのクロスリークの発生を検知している。燃料電池スタック２内でクロスリークが発生した場合、多くのケースにおいて、カソード側に漏れ出た水素はカソード上で酸素と反応して燃焼する。このため、多量の水素がカソード側に漏れ出たとしても、カソードオフガス中に含まれて検出部４０に流入する水素の量は少ない。したがって、検出部４０の触媒４６上での燃焼反応は小さく、下流側温度センサ４４の検出温度と上流側温度センサ４２の検出温度との温度差は大きくならない。一方、カソード上での燃焼反応によってカソードガス中の酸素が消費されるため、カソードオフガス中に残存する酸素の量はクロスリークが無い場合に比較して減少する。これにより、クロスリークが発生した場合、酸素濃度センサ４８によって検出される酸素濃度は低下する。

なお、クロスリークの発生場所によっては、カソード側に漏れ出た水素がそのままカソードオフガスに含まれてカソードオフガス通路６に排出される場合がある。その場合は、カソードオフガス中の水素濃度が上昇し、触媒４６上での燃焼反応が大きくなる。その結果、下流側温度センサ４４の検出温度と上流側温度センサ４２の検出温度との温度差が拡大する。一方、この場合は燃焼反応によるカソードガス中の酸素の消費が少ないことから、酸素濃度センサ４８によって検出される酸素濃度の低下は小さい。

以上のように、２つの温度センサ４２，４４でそれぞれ検出される温度の温度差と、酸素濃度センサ４８によって検出される酸素濃度とから、燃料電池スタック２内でのクロスリークの発生を検知することができる。図３のフローチャートは、監視装置３０によって実行されるクロスリークの発生を検知するためのルーチンを示している。

図３に示すルーチンの最初のステップ１００では、コンプレッサ１４の操作によって燃料電池スタック２に供給されるカソードガスの流量が所定の低流量に設定される。検出部４０の触媒４６上では水素濃度に応じて燃焼熱が発生し、その燃焼熱によって下流側温度センサ４４の検出温度が上昇する。ところが、カソードオフガスの流量が多いと、カソードオフガスによって持ち去られる熱量が大きくなって、下流側温度センサ４４の検出温度の上昇が抑制されてしまう。その結果、温度センサ４２，４４間の検出温度の温度差が小さくなって誤判定を招いてしまう可能性がある。そこで、本ステップでは、カソードオフガスの流量を減らすことで、カソードオフガスによって持ち去られる熱量を減少させ、触媒４６上での水素の燃焼反応による燃焼熱を温度センサ４２，４４間の検出温度の温度差により明確に反映させるようにしている。

カソードオフガスの流量が低下したら、次に、上流側温度センサ４２による検出温度Ｔ₁が取得され（ステップ１０２）、下流側温度センサ４４による検出温度Ｔ₂が取得され（ステップ１０４）、さらに、酸素濃度センサ４８により検出された酸素濃度が取得される（ステップ１０６）。

次のステップ１０８では、２つの温度センサ４２，４４間の検出温度Ｔ₁，Ｔ₂の温度差（Ｔ₂−Ｔ₁）と所定の基準値とが比較される。比較の結果、温度差が基準値を超えている場合には、カソードオフガス中の水素濃度が上昇している、つまり、カソードの出口付近においてクロスリークが発生していると予測される。その場合、監視装置３０は警報信号を出力し、乗員に注意を促したり、燃料電池スタック２の運転を停止させたりする（ステップ１１２）。

なお、カソードオフガス中の水素濃度は、次のような方法で推定することができる。図４は、カソードオフガス中の水素濃度に対する燃焼熱と酸素濃度の各関係を示している。触媒４６上での水素と酸素の燃焼反応により発生する燃焼熱は、温度センサ４２，４４間の検出温度の温度差に対応している。図４に示すように、酸素濃度は水素濃度の上昇とともに減少する。一方、燃焼熱は水素濃度がストイキのときに最大となり、それよりもリッチであってもリーンであっても燃焼熱は低下する。したがって、燃焼熱、つまり、温度センサ４２，４４間の検出温度の温度差からだけでは、水素濃度を一義的に決定することができない。しかし、水素濃度の上昇とともに減少する酸素濃度を参酌すれば、測定された温度差に対応する水素濃度がストイキよりもリッチ側かリーン側か判断することができる。具体的には、ストイキ状態の酸素濃度より酸素濃度が高いときには燃焼熱の増加に伴って水素濃度が増加していると判断することができる。一方、ストイキ状態の酸素濃度より酸素濃度が低いときには燃焼熱の減少に伴って水素濃度が増加していると判断することができる。このように、温度センサ４２，４４間の検出温度の温度差に加え、酸素濃度センサ４８により検出された酸素濃度を参酌することで、カソードオフガス中の水素濃度をより正確に推定することができる。

ステップ１０８の判定の結果、温度センサ４２，４４間の検出温度Ｔ₁，Ｔ₂の温度差が基準値よりも小さい場合には、さらにステップ１１０の判定が行われる。ステップ１１０では、酸素濃度センサ４８で検出された酸素濃度と所定の基準値とが比較される。比較の結果、酸素濃度が基準値よりも低い場合には、燃料電池スタック２内で酸素が異常に消費されている、つまり、燃料電池スタック２内の何処かでクロスリークが発生していると予測される。その場合、監視装置３０は警報信号を出力し、乗員に注意を促したり、燃料電池スタック２の運転を停止させたりする（ステップ１１２）。なお、この場合のクロスリークの発生規模は、カソードオフガス中の酸素濃度によって推定することができる。酸素濃度が低いほど、燃料電池スタック２内で消費されている酸素量が多い、つまり、大規模なクロスリークが発生していると予想される。

上記実施の形態においては、上流側温度センサ４２と下流側温度センサ４４との組み合わせにより、第１の発明の「温度差検出手段」が実現されている。また、監視装置３０による上記ルーチンの実行により、第１の発明の「判定手段」が実現されている。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施することができる。

上記実施の形態では、下流側温度センサ４４に触媒４６を担持させているが、上流側温度センサ４２と下流側温度センサ４４との間に触媒４６を配置してもよい。また、これら温度センサ４２，４４と触媒４６の代わりに水素濃度センサを配置し、水素濃度センサによって水素濃度の検出を行っても良い。水素濃度センサにより検出される水素濃度が所定の基準値以下であって、且つ、酸素濃度センサにより検出される酸素濃度も所定の基準値以下のときに、燃料電池スタック内でクロスリークが発生していると判断することができる。なお、水素濃度センサは触媒型でも非触媒型でもよい。また、水素濃度センサと酸素濃度センサの位置関係には限定はない。

本発明が適用される燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態における検出部の構成を詳細に示す図である。 本発明の実施の形態において実行されるクロスリークの発生を検知するためのルーチンのフローチャートである。 カソードオフガス中の水素濃度に対する燃焼熱と酸素濃度の各関係を示す図である。

符号の説明

２ 燃料電池スタック
４ カソードガス通路
６ カソードオフガス通路
８ アノードガス通路
１０ アノードオフガス通路
１２ アノードオフガス排出通路
１４ コンプレッサ
１６ 希釈器
１８ 流量計
２０ シャットバルブ
２２ 調圧弁
２４ 循環装置
２６ 排気バルブ
３０ 監視装置
４０ 検出部
４２ 上流側温度センサ
４４ 下流側温度センサ
４６ 触媒
４８ 酸素濃度センサ

Claims (5)

1. 燃料電池のカソードオフガス通路に配置された酸化触媒成分を含む触媒と、
   前記触媒の上流側と下流側の温度差、或いは、前記触媒の上流側と前記触媒上の温度差を検出する温度差検出手段と、
   前記カソードオフガス通路内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
   前記温度差検出手段により検出される温度差が所定温度以下であって、且つ、前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度が所定濃度以下のときに前記燃料電池に異常が生じていると判断する判定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の異常検知装置。
2. 前記判定手段は、前記カソードオフガス通路を流れるカソードオフガスの流量が所定量以下のときに判定を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の異常検知装置。
3. 前記温度差検出手段により検出される温度差から前記カソードオフガス通路内の水素濃度を推定する水素濃度推定手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の異常検知装置。
4. 前記水素濃度推定手段は、前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度を参酌して水素濃度を推定することを特徴とする請求項３記載の燃料電池の異常検知装置。
5. 燃料電池のカソードオフガス通路に配置された水素濃度センサと、
   前記カソードオフガス通路に配置された酸素濃度センサと、
   前記水素濃度センサにより検出される水素濃度が所定濃度以下であって、且つ、前記酸素濃度センサにより検出される酸素濃度が所定濃度以下のときに前記燃料電池に異常が生じていると判断する判定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の異常検知装置。

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