(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとを燃料電池本体に供給して電力を得る固体高分子型燃料電池において、
燃料電池本体から排出する酸化剤ガス排出ラインと燃料ガス排出ラインとに各々または一方に設けられ、固体高分子電解質膜とその両側に接合したガス拡散電極とからなるガス検知用単電池と、
該ガス検知用単電池に参照ガスを供給する参照ガスラインと、
各々または一方の排出ラインのガスと参照ラインのガスの電位差を測定する電位差計とを具備してなり、
電位差の変化により、ガスの漏れを検知することを特徴とする燃料電池ガス検知装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記参照ガスが排出ガス種と同一のガス種、窒素ガス又はヘリウムの何れか一種であることを特徴とする燃料電池ガス検知装置。
【請求項３】
請求項１において、
上記燃料電池本体の燃料極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その燃料ガス供給ラインからの燃料ガスの一部を供給して電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の燃料極へ供給し、
上記燃料電池本体の酸素極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その酸化剤ガスラインからの酸化剤ガスを用いて電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の酸素極へ供給することを特徴とする燃料電池ガス検知装置。
【請求項４】
酸化剤ガスと燃料ガスとを燃料電池本体に供給して電力を得る固体高分子型燃料電池において、
燃料電池本体から排出する酸化剤ガス排出ラインと燃料ガス排出ラインとの両方または一方に、固体高分子電解質膜とその両側に接合したガス拡散電極とからなるガス検知用単電池を設け、該単電池に参照ガスを流して単電池の電位差を検出し、ガスの漏れを検知することを特徴とする燃料電池ガス検知方法。
【請求項５】
請求項４において、
上記燃料電池本体の燃料極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その燃料ガスラインからの燃料ガスを用いて電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の燃料極へ供給し、
上記燃料電池本体の酸素極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その酸化剤ガスラインからの酸化剤ガスを用いて電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の酸素極へ供給することを特徴とする燃料電池ガス検知方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池のガスの漏れを検知する燃料電池ガス検知装置及び方法に関する。
【０００２】
【背景の技術】
図３に従来の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の概略を示す。
図３に示すように、燃料電池本体内には固体高分子電解質膜を用いた単セルとセパレータとを積層状に配してなる燃料電池本体０１が配されてなり、該燃料電池本体０１に燃料ガスとして燃料（Ｈ2 ）を供給する燃料ガス供給管０２及び燃料を排出する燃料ガス排気管０３が設けられていると共に、酸化剤ガスとして酸素（Ｏ2 ）を供給する酸化剤ガス供給管０４及び酸素を排出する酸化剤ガス排気管０５が設けられている。
【０００３】
ここで、固体高分子型燃料電池は、ガス拡散電極間に固体高分子電解質膜をはさみ単セルとし、これらをさらにセパレータで挾持しつつ複数枚積層してセルスタックを構成してなるものである。
また、固体高分子型燃料電池は、燃料と酸化剤とが薄い固体高分子電解質膜にて分離されているが、該電解質膜の損傷等により、燃料と酸化剤とが混合する場合があるので、事前に漏れを検知する必要がある。
【０００４】
そのため、従来では、図３に示すように、燃料電池本体から排出する排出ラインからその排出ガスの一部を各々分離し、水素検知装置０６及び酸素検知装置０７を分枝ライン０８，０９に設置して検知している。
なお、検知装置通過後のガスは廃棄している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような燃料電池の検知装置では、ガス排気ライン０３，０５からガスを分離するが、検知装置０６，０７は常温・常圧で作動するので、ガスの圧力及び温度を低下させる必要がある。
よって、ガスの圧力を低下させる手段及び温度を低下させる手段として減圧弁０１０，０１１及び図示しない冷却手段が必要となる。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑み、燃料電池のガスの漏れを迅速に検知をする燃料電池ガス検知装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する［請求項１］の発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを燃料電池本体に供給して電力を得る固体高分子型燃料電池において、燃料電池本体から排出する酸化剤ガス排出ラインと燃料ガス排出ラインとに各々または一方に設けられ、固体高分子電解質膜とその両側に接合したガス拡散電極とからなるガス検知用単電池と、該ガス検知用単電池に参照ガスを供給する参照ガスラインと、各々または一方の排出ラインのガスと参照ラインのガスの電位差を測定する電位差計とを具備してなり、電位差の変化により、ガスの漏れを検知することを特徴とする。
【０００８】
［請求項２］の発明は、請求項１において、上記参照ガスが排出ガス種と同一のガス種、窒素ガス又はヘリウムの何れか一種であることを特徴とする。
【０００９】
［請求項３］の発明は、請求項１において、上記燃料電池本体の燃料極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その燃料ガス供給ラインからの燃料ガスの一部を供給して電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の燃料極へ供給し、上記燃料電池本体の酸素極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その酸化剤ガスラインからの酸化剤ガスを用いて電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の酸素極へ供給することを特徴とする。
【００１０】
［請求項４］の発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを燃料電池本体に供給して電力を得る固体高分子型燃料電池において、燃料電池本体から排出する酸化剤ガス排出ラインと燃料ガス排出ラインとの両方または一方に、固体高分子電解質膜とその両側に接合したガス拡散電極とからなるガス検知用単電池を設け、該単電池に参照ガスを流して単電池の電位差を検出し、ガスの漏れを検知することを特徴とする。
【００１１】
［請求項５］の発明は、請求項４において、上記燃料電池本体の燃料極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その燃料ガスラインからの燃料ガスを用いて電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の燃料極へ供給し、上記燃料電池本体の酸素極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その酸化剤ガスラインからの酸化剤ガスを用いて電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の酸素極へ供給することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１３】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。
図１は本実施の形態にかかる燃料電池ガス検知装置の概略図である。
図１に示すように、本実施の形態にかかるガス検知装置は、酸素ボンベ１１ａからの酸化剤ガス（Ｏ2 ）と水素ボンベ１２ａからの燃料ガス（Ｈ2 ）とを、酸化剤ガス供給ライン１１と燃料ガス供給ライン１２とを介して燃料電池本体１３に供給し、電力を得る固体高分子型燃料電池において、燃料電池本体１３から排出する酸化剤ガス排出ライン１４と燃料ガス排出ライン１５とに各々設けたガス検知用単電池１６，１７と、該ガス検知用単電池１６，１７に参照ガス１８，１９を供給する参照ガスライン２０，２１と、各々の排出ライン１４，１５のガスと参照ガスライン２０，２１のガスとの電位差を各々測定する図示しない電位差計とを具備してなるものである。
上記装置により、排出するガスと参照ガスとの電位差の変化により、ガスの漏れを検知することができる。
なお、本実施の形態では、ガス検知用単電池は酸化剤ガス排出ライン１４と燃料ガス排出ライン１５とに各々設けているが、本発明ではいずれか一方側に設けるようにしてもよい。
【００１４】
上記ガス検知用単電池１６，１７は、固体高分子電解質膜３１と両側にガス拡散電極３２，ガス拡散電極３３が接合されることにより、構成されている。
上記ガス検知用単電池１６，１７は、燃料電池本体のセルスタックを構成する１単位を検知用の電池として利用している結果、圧力及び温度を排気状態（例えば８０℃，２気圧）のままで導入することができる。この結果、排気ライン側と参照ライン側とのガスの電位差を計測することにより、排気ライン側に漏れがある場合をオンラインで迅速に検知することができる。
【００１５】
例えば酸化剤ガスラインの排出の場合、参照ガスとして、供給ガスと同じフレッシュな酸素を微量参照ガスを供給しておき、通常漏れがない場合には、排気ライン１４と参照ライン２０とが同種のガスであるので、電位差がないものとなる。一方、排気ライン１４側のガスに酸化剤ガス（Ｏ2 ）と異なる燃料ガス（Ｈ2 ）が混入すると、化学エネルギーの差により、電位が変化し、これを電位差計で測定することで漏れがあることを検知する。
【００１６】
なお、参照ガスとしては供給ガスと同種のガスに限定されるものではなく、上記参照ガス１８，１９として、例えば窒素ガス又はヘリウム等のガスを挙げることができる。
【００１７】
なお、参照ガスは供給ガスの一部を分枝してフレッシュなガスを導入した場合には、供給ラインのガスへ混合し、発電用のガスに供される。
なお、燃料ガスラインも上述した酸化剤ガスの態様のものを逆にしたものであり、その説明は省略する。
【００１８】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態を図２を用いて説明する。
図２は本実施の形態にかかる燃料電池ガス検知装置の概略図である。
第１の実施の形態では、排気ラインのガスは外部へ排出するようにしているが、本実施の形態では、際循環させ、外部へ一切ガスが排出しない密閉系のシステムとしたものである。
【００１９】
図２に示すように、本実施の形態にかかるガス検知システムは、酸素ボンベ１１ａからの酸化剤ガス（Ｏ2 ）と水素ボンベ１２ａからの燃料ガス（Ｈ2 ）とを、酸化剤ガス供給ライン１１と燃料ガス供給ライン１２とを介して燃料電池本体１３に供給し、電力を得る燃料電池において、燃料電池本体１３から排出する酸化剤ガス排出ライン１４と燃料ガス排出ライン１５とに各々設けたガス検知用単電池１６，１７と、該ガス検知用単電池１６，１７に参照ガス１８，１９を供給する参照ガスライン２０，２１と、各々の排出ライン１４，１５のガスと参照ガスライン２０，２１のガスとの電位差を各々測定する図示しない電位差計とを具備してなり、上記ガス検知用単電池１６，１７からの排気されるガスを再度供給ラインへ戻す酸化剤ガス循環ライン４１及び燃料ガス循環ライン４２を設けたものである。
【００２０】
上記酸化剤ガス循環ライン４１及び燃料ガス循環ライン４２には、ブロア４３，４４が設けられており、燃料電池の供給ライン１１，１２側へ戻すようにしている。
上記装置により、排出するガスと参照ガスとの電位差の変化により、ガスの漏れを検知すると共に、完全リサイクルとするので外部へ排気ガスを排出することなく発電することができる。
【００２１】
上記装置における酸化剤ガスの流れを例にして図２を参照しつつ説明する。
燃料電池本体に供給するガス量を２とし、利用率が５０％と仮定した場合、酸素ボンベ１１ａから供給されるＯ2 ガス量を１とし、メインの供給ライン１１のガス量を0.９８とし、参照ライン２０のガス量を0.０２とする。
単電池１６から排出され、排出ガスライン４５を介して燃料電池本体１３の上流側に戻るガス量が0.０２であり、再循環ライン４１のガス量が1.００戻ってくると、常に合計のガス量２が燃料電池本体に供給され、無駄なく供給ガスを利用することができる。
【００２２】
排気ガスを再循環させると共に、参照ガスも供給ガスとして利用することにより、閉鎖系内で燃料電池を作動する場合に、常にガスの漏れを検知できると共に、供給ガスの無駄がなく、効率のよい発電をすることができる。
【００２３】
また、参照ガスとして窒素ガス等のガス種の異なるガスを用いることなく、分枝したフレッシュガスを用いているので、窒素ガス供給手段等を別途用意する必要もなくなる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、［請求項１］の発明によれば、酸化剤ガスと燃料ガスとを燃料電池本体に供給して電力を得る固体高分子型燃料電池において、燃料電池本体から排出する酸化剤ガス排出ラインと燃料ガス排出ラインとに各々または一方に設けられ、固体高分子電解質膜とその両側に接合したガス拡散電極とからなるガス検知用単電池と、該ガス検知用単電池に参照ガスを供給する参照ガスラインと、各々または一方の排出ラインのガスと参照ラインのガスの電位差を測定する電位差計とを具備してなり、電位差の変化により、ガスの漏れを検知するので、例えば電解質膜の損傷等によるガスの漏れ状況を監視することができる。
【００２５】
［請求項２］の発明によれば、上記参照ガスが排出ガス種と同一のガス種、窒素ガス又はヘリウムの何れか一種であるので、電位差の変化により、ガスの漏れを検知するので、例えば電解質膜の損傷等によるガスの漏れ状況を監視することができる。
【００２６】
［請求項３］の発明によれば、上記燃料電池本体の燃料極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その燃料ガス供給ラインからの燃料ガスの一部を供給して電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の燃料極へ供給し、上記燃料電池本体の酸素極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その酸化剤ガスラインからの酸化剤ガスを用いて電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の酸素極へ供給するので、排気ガスを再循環させると共に、参照ガスも供給ガスとして利用することにより、閉鎖系内で燃料電池を作動する場合に、常にガスの漏れを検知できると共に、無駄がなく、効率よく発電することができる。
【００２７】
［請求項４］の発明によれば、酸化剤ガスと燃料ガスとを燃料電池本体に供給して電力を得る固体高分子型燃料電池において、燃料電池本体から排出する酸化剤ガス排出ラインと燃料ガス排出ラインとの両方または一方に、固体高分子電解質膜とその両側に接合したガス拡散電極とからなるガス検知用単電池を設け、該単電池に参照ガスを流して単電池の電位差を検出し、ガスの漏れを検知するので、例えば電解質膜の損傷等によるガスの漏れ状況を監視することができる。
【００２８】
［請求項５］の発明によれば、請求項４において、上記燃料電池本体の燃料極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その燃料ガスラインからの燃料ガスを用いて電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の燃料極へ供給し、上記燃料電池本体の酸素極の排出ラインに設置するガス検知用単電池に対しては、その酸化剤ガスラインからの酸化剤ガスを用いて電位差を検知すると共に、該単電池から排出されるガスを燃料電池本体の酸素極へ供給するので、排気ガスを再循環させると共に、参照ガスも供給ガスとして利用することにより、閉鎖系内で燃料電池を作動する場合に、常にガスの漏れを検知できると共に、無駄がなく、効率よく発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる燃料電池の概略図である。
【図２】第２の実施の形態にかかる燃料電池の概略図である。
【図３】従来技術にかかる燃料電池の概略図である。
【符号の説明】
１１ａ  酸素ボンベ
１２ａ  水素ボンベ
１１  酸化剤ガス供給ライン
１２  燃料ガス供給ライン
１３  燃料電池本体
１４  酸化剤ガス排出ライン
１５  燃料ガス排出ライン
１６，１７  ガス検知用単電池
１８，１９  参照ガス
２０，２１  参照ガスライン
３１  固体高分子電解質膜
３２  ガス拡散電極
３３  ガス拡散電極
４１  酸化剤ガス循環ライン
４２  燃料ガス循環ライン
４３，４４  ブロア
４５  排出ガスライン
【図１】
0003664925.tif 000002
【図２】
0003664925.tif 000003
【図３】
0003664925.tif 000004