(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの異常を高精度で検出することができ、さらにエネルギ損失の少ない燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に接続されたオフガス排気管５と、オフガス排気管５に設置された吸湿発熱体１４を有する水素検知手段９と、燃料電気スタック２に接続された換気ガス排気管５と、換気ガス排気管５から分岐して接続されて、水素検知手段９の吸湿発熱体１４を通過して、オフガス排気管５に連結された換気ガス供給配管７と、水素検知手段９上流側の換気ガス供給配管７に設置された流路制御装置（バルブ８）と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2006252919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続されたオフガス排気管と、
前記オフガス排気管に設置された吸湿発熱体を有する水素検知手段と、
前記燃料電気スタックに接続された換気ガス排気管と、
前記換気ガス排気管から分岐して接続されて、前記水素検知手段の吸湿発熱体を通過して、前記オフガス排気管に連結された換気ガス供給配管と、
前記水素検知手段上流側の前記換気ガス供給配管に設置された流路制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
さらに、燃料電池スタック後流側の前記換気ガス排気管に設置された第１の流路制御装置と、
前記水素検知手段上流側の前記オフガス排気管に設置された第２の流路制御装置と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素検知手段は、枠体と、前記枠体上部に設置された水素検知部と、前記枠体下部に配置された検出口と、前記水素検知部と前記検出口との間に配置された熱を加えることにより再生可能な吸湿発熱体と、前記換気ガス供給配管に連結された換気ガスを前記枠体内部に供給する換気ガス導入管と、を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
さらに、前記水素検知手段に接続され、前記吸湿発熱体の発熱を検知する温度センサと、
前記温度センサからの情報に基づき前記流路制御装置の開閉を制御する信号を送信する電子制御装置と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
さらに、前記オフガス排気管に設置されたオフガスの湿度を計測する湿度センサを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電時の異常を監視できる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスを燃料として用いて水素ガスと酸素ガスとを反応させて発電する装置であり、発電効率も高く、さらに低公害である。このため、内燃機関に代えて作動するモータ用の電源として燃料電池を搭載した車両の研究開発が進められている。車両搭載用の燃料電池としては、高出力化、小型化が要求されるため、特に、固体高分子型燃料電池の適用が研究されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、発電の基本単位となる単位セル（単セル）を複数個積層した燃料電池スタックから構成される。単セルは、固体高分子電解質膜の両面側に燃料電極と酸化剤電極を配置して膜電極接合体（MEA）を構成し、各電極の両面側に各々セパレータを配置して形成される。
【０００４】
上記固体高分子型燃料電池では、セパレータに形成したガス流路から水素ガスと酸素ガスを含む空気とをそれぞれ導入し、燃料電極及び酸化剤電極において、化学式１と化学式２に示す化学反応を進行させている。
【０００５】
H２  →  ２H+  ＋  ２e-    （燃料電極側）…（化学式１）
1/2O2 ＋ ２H+  ＋  ２e- → H２O  ＋ Ｑ  (反応熱)  （酸化剤電極側）…（化学式２）
電池全体としては、化学式３に示す化学反応が進行し、起電力が生じて外部負荷に対して電気的仕事がなされる。 
H２  ＋  1/2O2  → H２O  ＋ Ｑ  (反応熱)…（化学式３）
固体高分子電解質膜は、プロトン交換基（例えば、スルホン酸基）を多数導入した高分子材料から形成されており、固体高分子電解質膜を湿潤状態として、プロトン交換基を利用してプロトンを伝導させている。固体高分子電解質膜の一部分が含水量不足になると、固体高分子電解質膜が破損し、破損した部分から水素ガスが通り抜けてしまい、燃料電池スタックから排出されるオフガス排気管内のオフガス中に水素ガスが混入してしまう。このため、オフガス排気管に水素検知手段を設置して、オフガス中に混入した水素ガスを検知して、燃料電池システムの異常を監視している。
【０００６】
しかし、オフガス中には、生成水、加湿水などの水分が含まれており、水素検知手段は、水分を含むガスに晒される状態となる。このため、水素検知手段に結露が生じ易く、水素検知手段の検出精度が低下し、さらに水素検知手段が破損、劣化する要因となっていた。
【０００７】
そこで、水素検知手段の上流側に隣接して、オフガスを加熱するヒータを設置した燃料電池システムの技術が開示されている（特許文献１参照）。この燃料電池システムによれば、ヒータでオフガスを加熱することにより、水素検知手段での結露の発生を防ぎ、水素検知手段の検知精度の低下、さらに水素検知手段の破損、劣化を抑制している。
【特許文献１】特開２００４−６９４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、オフガスを加熱するヒータを設置したため、ヒータの設置スペースが必要となるだけではなく、電気エネルギが必要不可欠となっていた。
【０００９】
また、従来の燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転中においても常に加熱する必要があるため、燃料電池システムの停止中の電気エネルギが使用できない場合は、水素検知手段での結露の発生を防止することができなかった。
【００１０】
さらに、オフガスを加熱するためにエネルギが消費されてしまうため、燃料電池システム全体のエネルギ効率の観点から不利となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに接続されたオフガス排気管と、オフガス排気管に設置された吸湿発熱体を有する水素検知手段と、燃料電気スタックに接続された換気ガス排気管と、換気ガス排気管から分岐して接続されて、水素検知手段の吸湿発熱体を通過して、オフガス排気管に連結された換気ガス供給配管と、水素検知手段上流側の換気ガス供給配管に設置された流路制御装置と、を備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、水素検知手段での結露の発生に伴う検出精度の低下、破損、劣化を抑制して燃料電池システムの異常を高精度で検出することができ、さらにエネルギ損失の少ない燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを説明する。
【００１４】
第１実施形態
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を図１に示す。燃料電池システム１は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟み込んだ単セルを複数個積層した燃料電池スタック２を備える。燃料電池スタック２には、燃料となる水素ガスaと酸素ガスを含む空気bとをそれぞれ供給する水素ガス供給配管３と空気供給配管４とが接続されており、さらに、反応後のオフガスcを排出するオフガス排気管５が接続されている。また、燃料電池スタック２を収納する図示しない燃料電池ケース内を換気する換気ガスdを排出する換気ガス配管６が接続されており、換気ガス配管６はオフガス排気管５に連結されている。
【００１５】
換気ガス配管６には、分岐して換気ガス供給配管７が接続されている。換気ガス供給配管７には、流路制御装置であるバルブ８が設置されており、オフガス排気管５に連結されている。オフガス排気管５には、水素検知手段９が設置されており、例えば、水素検知手段９として接触触媒式の水素検知器が挙げられる。
【００１６】
水素検知手段９の断面構造を図２に示す。水素検知手段９は、枠体１０上部に接触触媒式の水素検知部１１を設置し、枠体１０下部に検出口１２を備えており、検出口１２には水滴除去膜１３が取り付けられている。枠体１０内部の水素検知部１１と検出口１２との間には吸湿発熱体１４を配置している。枠体１０の長手方向の両端には換気ガス導入管１５と換気ガス排出管１６とを接続し、換気ガス導入管１５からの換気ガスdが吸湿発熱体１４を流通するように構成されている。さらに、換気ガス導入管１５と排気ガス排出管１６とは、それぞれ換気ガス供給配管７に連結されている。
【００１７】
吸湿発熱体１４としては、熱を加えることにより再生可能な吸湿発熱繊維を用いることが好ましい。この吸湿発熱繊維は、吸湿することにより発熱し、逆に乾燥環境下では放湿して元の状態に戻る性質がある。吸湿時の発熱には、ウールや木綿のような天然繊維が吸湿する際に放出する水蒸気の凝集熱（蒸発熱の逆向きの熱）以外にも、親水器の吸湿による水和熱が発生すると考えられ、全発熱量は凝集熱の数倍に達するものが知られている。この親水基は、繊維素材自体が備えており、繊維の表面を化学処理することにより形成される。吸湿発熱繊維としては、各繊維会社から発売されているもので、例えば、ミズノ株式会社と東洋紡績株式会社により共同開発されたブレスサーモ（商品名）、東洋紡績株式会社製モイスケア（商品名）、富士紡績株式会社製エコウォーム（商品名）、三菱レイヨン株式会社製ルネス（商品名）、東レ株式会社製ウォームセンサ（商品名）を利用することができる。
【００１８】
さらに、図１に示すように、水素検知手段９には、吸湿発熱体１４の発熱を検知する温度センサ１７が接続されており、温度センサ１７には、温度センサ１７の出力によりバルブ８の開閉の制御信号を送信する電子制御装置１８が接続されている。また、オフガス排気管５内には湿度センサ１９が備えられている。なお、温度センサ１７は吸湿発熱体１４の温度変化を測定できる場所であれば良く、温度センサ１７の位置は限定されるものではない。湿度センサ１９も同様に、被検知ガスの湿度を測定できる場所であれば良く、湿度センサの位置は限定されるものではない。
【００１９】
上記燃料電池システム１では、オフガス排気管５内を流れるオフガスcは、水素検知手段９の検出口１２から流入し、水滴除去膜１３により水滴が除去される。検出口１２から流入したオフガスcの湿度が高いと、吸湿発熱体１４によりオフガスc中の水分が吸湿された状態で水素検知部１１に到達するため、水素検知部１１での結露を防止することができる。また、吸湿時に吸湿発熱体１４は発熱するが、この発熱を水素検知手段９の加熱に利用することにより、水素検知部１１での結露を生じ難くしている。
【００２０】
そして、燃料電池システム１では、温度センサ１７から計測される吸湿発熱体１４の温度変化と、湿度計１９から計測されるオフガスc中の湿度との関係から、吸湿発熱体１４の吸湿状況が常に監視されている。そして、温度センサ１７から計測される吸湿発熱体１４の温度が低下し、湿度計１９から計測されるオフガスc中の湿度が上昇し、電子制御装置１８により、吸湿発熱体１４が飽和状態に達していると判定されると、電子制御装置１８からバルブ８に制御信号が送信されて、バルブ８を開状態にする。バルブ８が開かれると、換気ガスdは、換気ガス供給配管７から換気ガス導入管１５を経由して水素検知手段９内に導入される。水素検知手段９内に導入された換気ガスdは、吸湿発熱体１４の乾燥を行うと同時に、水素検知部１１周辺のガスを乾燥、高温のガスに置換して、水素検知部１１での結露の発生を防止している。
【００２１】
水素検知手段９に換気ガスdを導入して吸湿発熱体１４を一定時間乾燥させた後、電子制御装置１８からバルブ８に制御信号を送信して、バルブ８を閉じて、換気ガスdの導入を停止させる。なお、吸湿発熱体１４の乾燥は、一定間隔で行っても良く、これによりセンサ類を省略することも可能である。また、吸湿発熱体１４の重さの変化を検出することにより、吸湿発熱体１４を乾燥させるタイミングと、乾燥時間を最適に決定することを可能である。
【００２２】
なお、本発明の燃料電池システムは、図１に示す燃料電池システム１の構成に限定されるものではなく、換気ガス配管６に流れる換気ガスdは、例えばカソード側に供給する空気供給配管４から分岐させて、燃料電池ケース内に供給し、あるいは空気等の換気ガスdを燃料電池ケースに供給するラインを新たに設けても良い。
【００２３】
本実施の形態によれば、水素検知手段９内の吸湿発熱体１４により被検知ガス（オフガスcまたは換気ガスd）中の水分を吸着させており、また、吸湿発熱体１４の発熱により水素検知手段９を加熱して、吸湿効果により被検知ガス中の湿度を下げている。このため、水素検知手段９の水素検知部１１での結露の発生を防止し、結露の発生に伴う水素検知手段９の検出精度の低下、破損、劣化を抑制することができる。この結果、オフガスc中または換気ガスd中の水素ガス濃度を検知して水素ガスaの漏れ箇所の診断を行い、発電時の異常を高精度で監視することができる。
【００２４】
また、本実施の形態によれば、流路制御装置であるバルブ８を設置して水素検知手段９内に導入する被検知ガスであるオフガスcと換気ガスdとを選択的に切り替えることができる。このため、オフガスc又は換気ガスdのいずれかの単独ガスの検知を行うことができる。
【００２５】
さらに、本実施の形態によれば、水素検知手段９に接続した温度センサ１７の出力により、吸湿発熱体１４の状態をモニタし、吸湿発熱体１４が吸湿不能状態である場合に、高温、低湿度の換気ガスを水素検知手段９に供給することができるので、吸湿発熱体１４の限界量に達して吸湿不能になっても、水素検知手段９での結露の発生を確実に防止することができる。また、高温、低湿度の換気ガスdを水素検知手段９に導入して、吸湿後の吸湿発熱体１４を乾燥させることにより、吸湿発熱体１４を繰り返し利用することもできる。
【００２６】
また、システムの停止時に高湿度の被検知ガスが水素検知手段９内に流通した場合であっても、吸湿発熱体１４の吸湿量は相対湿度により変化するため、自動的に吸湿と発熱を行い、燃料電池システムの停止時などの電気エネルギが使用できない状態においても水素検知手段９での結露の発生を防止する効果がある。
【００２７】
第２実施形態
本発明における第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システムを停止する前に、オフガス排気管内のオフガスcの湿度を低下させる点にある。なお、本実施の形態に係る燃料電池システムの基本的な構成は、第１実施形態で示した燃料電池システム１と同様であるため、同一箇所は、同一符号を用いてその説明を省略する。
【００２８】
本発明における第２の実施の形態に係る燃料電池システム２０の構成を図３に示す。燃料電池システム２０は、換気ガス配管６から換気ガス供給配管７が分岐する前の換気ガス配管６に第１の流路制御装置であるバルブ２１が設置されている。また、換気ガス配管６とオフガス排気管５との合流点と、換気ガス供給配管７とオフガス排気管５との合流点との間のオフガス排気管５に第２の流路制御装置であるバルブ２２が設置されている。さらに、２つのバルブ２１,２２は、電子制御装置１８に接続されている。
【００２９】
上記燃料電池システム２０では、燃料電池システム２０を停止する前に、電子制御装置１８から制御信号を送信して、バルブ８を開いた状態とし、バルブ２１,２２を閉じた状態とする。すると、燃料電池スタック２から排出されるオフガスcが、オフガス排気管５の上流から換気ガス供給配管７を経由して、水素検知手段９に導入されて、吸湿発熱体１４を強制的に通過する。オフガスcが吸湿発熱体１４を通過するとオフガスc中の水分が吸湿されるため、オフガス排気管５内を流通するオフガスcの湿度が低下する。その後、電子制御装置１８から制御信号を送信して、バルブ８を閉じた状態とする。すると、燃料電池スタック２から排出される高湿度のオフガスcが水素検知手段９に流入するのを防止することができる。
【００３０】
従って、本実施の形態によれば、燃料電池システム２０が停止したとき、水素検知手段９付近のオフガスcを低湿度状態に保持することができ、水素検知手段９での結露の発生を防止することができる。
【００３１】
なお、吸湿発熱体１４の乾燥方法については、第１実施形態と同様であり、温度センサ１７と湿度センサ１９を省略することや吸湿発熱体１４の重さの変化を検出することにより、乾燥のタイミングと乾燥時間を最適に決定することもできる。
【００３２】
その他の実施形態
第１実施形態の改良例として、通常時の流路制御装置であるバルブ８は開状態とし、比較的水素濃度の薄い換気ガスを水素検出手段９に流入させる。そして、オフガス排気管５内のオフガスを検知する場合に、流路制御装置であるバルブ８を閉状態とする。この場合には、換気ガス配管６の配管径を換気ガス供給配管７の配管径よりも小さくすると良い。なお、流路制御装置としてバルブ８ではなく、バイパス路との分岐路に三方弁を設置した場合は、配管径の大小を規定する必要はない。
【００３３】
本実施の形態によれば、比較的水素濃度の薄い換気ガスdを水素検出手段９内に流入させることにより、水素検知手段９の寿命を延命することができる。なお、この改良例は、第２実施形態にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明における第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示した水素検知手段の内部構造を示す断面図である。
【図３】本発明における第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…燃料電池システム，
２…燃料電池スタック，
３…水素ガス供給配管,
４…空気供給配管,
５…オフガス排気管,
６…換気ガス配管,
７…換気ガス供給配管,
８…バルブ（流路制御装置）,
９…水素検知手段,
１７…温度センサ,
１８…電子制御装置,
１９…湿度計,
a…水素ガス,
b…空気,
c…オフガス,
d…換気ガス,
【図１】
2006252919.tif 000003
【図２】
2006252919.tif 000004
【図３】
2006252919.tif 000005