(57)【要約】    【課題】  燃料電池１のカソードから排出される排気ガス中の水素濃度を正確に推定可能とする。    【解決手段】  燃料電池１からの排気ガスが流れる排気路６に、排気ガス中の水素を燃焼させる燃焼器８を設け、更に、この燃焼器８より下流側に、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１０を設ける。そして、燃料電池１の運転温度や運転負荷により予め定められる燃焼器８上流側での排気ガス中の酸素濃度と、酸素濃度センサ１０により検出される燃焼器８下流側での排気ガス中の酸素濃度とから、燃焼による酸素濃度の減少量を算出し、これに基づいて、燃料電池１からの排気ガス中の水素濃度を推定する。【選択図】  図１
2006179224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン透過性の膜を有する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに水素ガスを供給する水素ガス供給路と、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池のカソードから排気ガスを排出する排気路と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記排気路に設けられて排気ガス中の水素を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器より下流側の排気路に設けられて排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサと、前記酸素濃度センサにより検出される燃焼器下流側での排気ガス中の酸素濃度に基づいて前記燃料電池からの排気ガス中の水素濃度を推定する水素濃度推定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素濃度推定手段は、予め定められる燃焼器上流側での排気ガス中の酸素濃度と、前記酸素濃度センサにより検出される燃焼器下流側での排気ガス中の酸素濃度とから、燃焼による酸素濃度の減少量を算出し、これに基づいて、前記燃料電池からの排気ガス中の水素濃度を推定するものであ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】
前記燃焼器上流側での排気ガス中の酸素濃度は、燃料電池の運転温度及び運転負荷に基づいて設定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。
【請求項４】
前記燃焼器より下流側の排気路に設けられて排気ガスの温度を検出する排気温度センサを備え、前記水素濃度推定手段は、前記酸素濃度センサにより検出される燃焼器下流側での排気ガス中の酸素濃度と、前記排気温度センサにより検出される燃焼器下流側での排気ガスの温度とに基づいて、前記燃料電池からの排気ガス中の水素濃度を推定することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素濃度推定手段は、所定の条件において、前記排気温度センサにより検出される燃焼器下流側での排気ガスの温度に基づいて、燃焼による温度の上昇量を算出し、これに基づいて、前記燃料電池からの排気ガス中の水素濃度を推定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。
【請求項６】
前記排気路に設けられて排気ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサを備えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸素濃度センサは、酸素濃度と水素濃度との両方の検出が可能な酸素イオン伝導性固体電解質型センサであり、酸素濃度センサと水素濃度センサと兼ねることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池からの排気ガス中の水素濃度が所定値以上の場合に、前記アノードに供給する水素ガスの圧力より前記カソードに供給する酸化剤ガスの圧力が高くなるように制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池からの排気ガス中の水素濃度が第１の所定値以上の場合に、前記カソードに供給する酸化剤ガスの圧力を上昇させ、前記水素濃度が前記第１の所定値より大きな第２の所定値以上の場合に、前記アノードに供給する水素ガスの圧力を低下させ、前記水素濃度が前記第２の所定値より大きな第３の所定値以上の場合に、燃料電池システムの運転を停止する制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、燃料電池システムの起動から、所定時間経過後に制御を開始することを特徴とする請求項８又は請求項９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、燃料電池システムに関し、特に燃料電池から排出される排気ガス中の水素濃度を監視する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池にはいくつかの種類が存在するが、低温での作動性や耐久性、効率の面から固体高分子型の燃料電池が広く使用されている。固体高分子型燃料電池の場合、水素イオン（プロトン）透過性の膜（ＰＥＭ）を使用している。ＰＥＭは湿潤度低下や長時間の放置条件下などでは水素を透過する性質をもつ。燃料電池の場合にはアノードラインの水素がカソードラインに混入することが考えられる。カソードラインに混入した水素は、可燃下限界以上となり何らかの着火源の存在により燃焼した場合には、燃料電池を焼損する問題が生じる。また、仮に着火源がなくとも未反応水素を排出することになり、燃料電池の効率を悪化させる原因となる。
【０００３】
このような問題に対し、特許文献１では、カソードオフガスの排気路の途中に水素ガス検知器を設け、水素ガスの漏洩を検知した場合には、燃料電池の運転を停止することを提案している。
【特許文献１】特開平６−２２３８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
引用文献１には、具体的開示はないが、水素の検出手段としては、以下のようなものが考えられる。
(1) ＴＣＤ（Thermal Conductivity Detector ）：  気体の熱伝導の差を利用するもので、サーミスタの電気抵抗の差として検出する。予めガスクロマトグラフィーなどの手段で水素を分離する必要がある。
【０００５】
(2) ＦＩＤ（Flame Ionization Detector ）：  高電圧電極間で水素を燃焼させ、ここにキャリアガスを流しておく。成分が水素炎中でイオン化し、電極間に流れた電流を検出する。水素ボンベ、空気コンプレッサが必要。
(3) ＥＣＤ（Electron Capture Detector ）：  β線を照射して、生じた電子を検出する。
【０００６】
(4) 質量分析
(5) ＮＤＩＲ（Non Dispersive Infra Red detector ）：  水素を酸化処理し、生成された水分を計測する。
(6) 固体センサ：  水素の燃焼反応を電気的に検知し、水素と酸素（空気）の混合気中の水素濃度を計測する方法。
【０００７】
(7) 酸素イオン伝導性固体電解質型センサ：  基本的には酸素濃淡電池の原理を利用し酸素拡散電位から酸素濃度を計測するセンサであるが、原理上水素濃度も検出することが可能である。
(1) のＴＣＤは既知のガス成分の濃度を計測する手段である。燃料電池のカソードオフガス中の水素濃度を検出する場合、分離カラムを用いたガスクロマトグラフィーなどの手段で各ガス成分を分離する必要がある。クロマトグラフィーでの分離は、擬似移動相などの特別の手段を使用しない限り、連続的に検出することはできない。特に燃料電池を自動車のようなパワープラントに適用した場合は、検出器の設置スペースが限られるため、本手段を現実的には搭載することは不可能である。
【０００８】
(2) のＦＩＤは基準ガスとして水素を使用する必要があり、コンプレッサのような空気供給装置が必要となる。燃料電池は言うまでもなく発電システムであるが、コンプレッサ等で電力を消費すると燃料電池システム全体の燃費を悪化させるため問題である。
(3) のＥＣＤはβ線を使用するので、簡単には適用できない。
(4) と(5) は基本的にはドライベースで計測を行う必要があり、凝縮器を通して水分を除去しなければならない。これらに関しても(1) 〜(3) の検出手段同様に移動体に適用できる仕様ではない。また、特に(5) は水素を二次的に検出するため精度的な問題もある。
【０００９】
(6) は酸素存在下での水素濃度を計測するのに適しているが、触媒担体は多孔質であるため水蒸気を吸水しやすく、吸水により検出精度の悪化を招く。燃料電池のカソードオフガスは多量の水蒸気を含んでおり、この水蒸気の影響で本用途への適用は不可能である。
(7) は水蒸気存在下でも適用可能であるが、センサ素子が800 ℃程度と非常に高温となるため、可燃下限界以上の濃度の水素と酸素が混在する場合には水素混合ガスに引火する可能性がある。
【００１０】
以上のように、これまでに実用化されている水素の検出手段は、それぞれ問題があり、そのままでは、燃料電池システムに適しているとは言えない。
本発明は、このような実状に鑑み、燃料電池からの排気ガス中の水素濃度を好適に監視可能とした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】
【００１１】
このため、本発明では、燃料電池からの排気ガスが流れる排気路に、排気ガス中の水素を燃焼させる燃焼器を設け、この燃焼器より下流側に、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを設ける。そして、前記酸素濃度センサにより検出される燃焼器下流側での排気ガス中の酸素濃度に基づいて、燃料電池からの排気ガス中の水素濃度を推定する構成とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池からの排気ガス中の水素を燃焼器にて酸素と燃焼させることで、水素が存在する分、酸素濃度が減少することから、燃焼器下流側で酸素濃度を検出することにより、間接的ながら、燃料電池からの排気ガス中の水素濃度を的確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの構成図である。
燃料電池１は、水素イオン（プロトン）透過性の固体高分子電解質膜をアノード（燃料極）とカソード（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からなる。
【００１４】
この燃料電池１のアノードには、燃料として、水素ガス供給路（アノードライン）２から水素ガスが供給され、カソードには、酸化剤として、空気供給路（カソードライン）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カソードまで移動し、酸素と電気化学反応を起こして発電し、このとき水を生成する。アノード側の未反応の水素ガスは水素ガス循環路４により水素ガス供給路２へ戻されて再利用される。カソード側の反応済みの空気は排気ガス（オフガス）として排気路６より大気中へ排出される。
【００１５】
尚、水素供給源については特に限定しないが、一般的な高圧水素タンクなどを用い、調圧弁により圧力を低下させて供給すればよい。水素ガス供給路２から燃料電池１に供給する水素ガスの圧力は、水素ガス循環路４に設けたバルブ５で制御することができる。
空気供給原についても特に限定しないが、コンプレッサなどの昇圧可能な送風機が適しており、コンプレッサなどからの空気は、燃料電池１へ供給する前に必要に応じて加湿器などで加湿するとよい。空気供給路３から燃料電池１に供給する空気の圧力は、排気路６に設けたバルブ７で制御することができる。
【００１６】
ここにおいて、燃料電池１から排出される排気ガス中の水素濃度を監視するため、排気路６（バルブ７の下流）に、排気ガス中の水素を燃焼させる燃焼器（例えば触媒燃焼器）８を設け、更に、この燃焼器８より下流側に、排気ガスの温度を検出する排気温度センサ９と、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１０とを設けている。酸素濃度センサ１０としては、酸素濃度と水素濃度との両方の検出が可能な酸素イオン伝導性固体電解質型センサを用いるのが望ましい。
【００１７】
これら排気温度センサ９及び酸素濃度センサ１０の各信号は、信号ライン１１、１２により制御回路１３に入力される。制御回路１３は、これらの入力信号に基づき、水素濃度推定手段としての演算処理を行い、その結果に基づき、制御手段として、信号ライン１４、１５によりバルブ５、７の開度を制御して、燃料電池１に供給する水素ガス及び空気の圧力をそれぞれ制御する。
【００１８】
図２は制御回路１３による水素濃度監視制御のフローチャートである。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、燃料電池システムの起動後、所定時間ｔｓ（例えば、クロスリークが無くなる時間）経過したか否かを判定し、経過している場合にステップ２以降へ進む。
ステップ２では、酸素濃度センサ１０及び排気温度センサ９の信号に基づいて、燃料電池１からの排気ガス（カソードオフガス）中の水素濃度Ｃを計算する。
【００１９】
具体的には、予め定められる燃焼器８上流側での排気ガス中の酸素濃度ＯＸ１と、酸素濃度センサ１０により検出される燃焼器８下流側での排気ガス中の酸素濃度ＯＸ２とから、燃焼器８での燃焼（水素と酸素との反応）による酸素濃度の減少量ΔＯＸ＝ＯＸ１−ＯＸ２を算出し、これが排気ガス中に含まれていた水素の量に対応することから、酸素濃度の減少量ΔＯＸに基づいて、予め定めたテーブルを参照するなどして、燃料電池１からの排気ガス中の水素濃度Ｃ＝ｆ（ΔＯＸ）を求める。
【００２０】
ここで、燃料電池１の運転温度や運転負荷によってカソードオフガスの酸素濃度（燃焼器８上流側での排気ガス中の酸素濃度ＯＸ１）が異なるシステムにおいては、事前に各条件での酸素濃度マップを作成し、そのマップからＯＸ１を求めておく。
このように、燃焼器８上流側での排気ガス中の酸素濃度ＯＸ１を、燃料電池１の運転温度及び運転負荷に基づいて設定することにより、燃料電池１からの排気ガス中の水素濃度Ｃをより正確に求めることができる。
【００２１】
また、酸素濃度センサ１０は一般的に分解能が低い場合が多い。そのため、カソードオフガス中の低濃度の水素が混入した場合には、水素濃度を正確に推定できない可能性がある。その場合には、排気温度センサ９を用い、燃焼器８での燃焼温度から水素濃度を推定する。燃焼器８が触媒燃焼器であれば水素濃度１％以下でも燃焼させることができ、さらに燃焼よる温度上昇も100 ℃程度となることから、一般的な温度センサで容易に低濃度の水素を検知することが可能となる。
【００２２】
すなわち、所定の条件においては、排気温度センサ９により検出される燃焼器８下流側での排気ガスの温度に基づいて、燃焼器８での燃焼による温度の上昇量を算出し、これに基づいて、燃料電池１からの排気ガス中の水素濃度を推定するのである。これにより、低水素濃度条件でも水素濃度の推定が可能となる。酸素濃度に基づく推定と、排気温度に基づく推定との両方を用いて、総合的に水素濃度を推定するようにしてもよい。
【００２３】
また、カソードオフガス中に理論空燃比以上の水素が混入した場合には、燃焼器８下流側に水素が残るため、酸素濃度検知だけでは正確に水素濃度を推定することができない。この場合には、酸素濃度センサと水素濃度センサとを併用し、特に水素濃度センサにより、燃焼器８下流側での水素濃度を検出して、加算することにより、カソードオフガス中の水素濃度を正確に推定することができる。
【００２４】
この場合、水素濃度センサは、酸素濃度センサ１０とは別に設けてもよいが、本実施形態のように、酸素濃度センサ１０として、酸素イオン伝導性固体電解質型センサを用いれば、酸素濃度と水素濃度との両方の検出が可能で、水素濃度センサを兼ねるため、コスト増を招くことなく実施可能となる。
ステップ２での水素濃度Ｃの算出後は、ステップ３〜５へ進み、水素濃度Ｃを予め定めた第１〜第３の所定値（しきい値）Ｃ１〜Ｃ３と比較する。Ｃ１＜Ｃ２＜Ｃ３である。
【００２５】
ステップ３では、水素濃度Ｃが第１の所定値Ｃ１以上、第２の所定値Ｃ２未満（Ｃ１≦Ｃ＜Ｃ２）か否かを判定し、ＹＥＳの場合は、ステップ６へ進んで、バルブ７を絞ることで、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力を上昇させる。アノードラインからカソードラインへの水素漏洩は、アノードラインの圧力がカソードラインより高いために起こるので、カソードラインの圧力を上げることで、カソードラインへの漏洩を防止するのである。
【００２６】
ステップ４では、水素濃度Ｃが第２の所定値Ｃ２以上、第３の所定値Ｃ３未満（Ｃ２≦Ｃ＜Ｃ３）か否かを判定し、ＹＥＳの場合は、ステップ７へ進んで、バルブ５を開放し、燃料電池１のアノードに供給する水素ガスの圧力を低下させる。カソードラインとアノードラインとの圧力差をより大きくして、カソードラインへの漏洩を防止するのである。
ステップ５では、水素濃度Ｃが第３の所定値Ｃ３以上（Ｃ３≦Ｃ）か否かを判定し、ＹＥＳの場合は、ステップ８へ進んで、燃料電池１のアノードへの水素ガスの供給を停止する（水素ガス供給路３上の遮断バルブを閉じる）などして、燃料電池システムの運転を停止する。大量の水素漏洩を検知した場合には、燃料電池システムの運転を停止することで、可燃性の水素の排出を完全に防止するのである。
【００２７】
本実施形態のように、燃料電池１からの排気ガス中の水素濃度が所定値（Ｃ１、Ｃ２）以上の場合に、アノードに供給する水素ガスの圧力よりカソードに供給する酸化剤ガス（空気）の圧力が高くなるように制御する制御手段を備えることにより、燃料電池システムの運転を停止することなく、水素ガスの漏洩を防止することができる。
また、本実施形態のように、燃料電池１からの排気ガス中の水素濃度Ｃが第１の所定値Ｃ１以上の場合に、カソードに供給する酸化剤ガス（空気）の圧力を上昇させ、水素濃度Ｃが前記第１の所定値Ｃ１より大きな第２の所定値Ｃ２以上の場合に、アノードに供給する水素ガスの圧力を低下させ、水素濃度Ｃが前記第２の所定値Ｃ２より大きな第３の所定値Ｃ３以上の場合に、燃料電池システムの運転を停止する制御手段を備えることにより、すなわち、水素濃度によって、カソード圧力上昇操作、アノード圧力減少操作、システムの停止操作を使い分けることにより、次のような効果が得られる。例えば、水素濃度が十分低いときにはＰＥＭの乾燥による水素漏洩と考えられるため、カソード圧力を上昇させて露点を下げることによってＰＥＭを加湿することで水素漏れに対処する。水素がある値より高い場合は、ＰＥＭに孔等が開いている状態と推定でき、そのままで運転しつづけるとシステムの燃費悪化や焼損につながるので、このような場合には、アノード圧力を下げることによって水素漏洩量を抑制する。さらに大量の水素濃度を検知した場合は、可燃性の水素の排出を完全に防止すべく、システムを停止する制御を行う。これらの制御を組み合わせることにより、効率的に燃料電池を運転することが可能となる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、前記制御手段は、燃料電池システムの起動から、所定時間経過後に制御を開始することにより、次のような効果が得られる。燃料電池は停止中にアノードからカソードへ、またカソードからアノードへのクロスリーク（燃料電池内で燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過する現象）があり、停止中にカソードラインへ水素が漏洩することは異常なことではない。よって、所定時間経過後の制御とすることで、起動直後にカソードラインから排出される水素を異常排出と誤検知して、不要な制御をするのを防止でき、異常検知の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの構成図
【図２】制御フローチャート
【符号の説明】
【００３０】
１  燃料電池
２  水素ガス供給路（アノードライン）
３  空気供給路（カソードライン）
４  水素ガス循環路
５  バルブ
６  排気路
７  バルブ
８  燃焼器
９  排気温度センサ
１０  酸素濃度センサ
１１、１２  信号ライン
１３  制御回路
１４、１５  信号ライン
【図１】
2006179224.tif 000003
【図２】
2006179224.tif 000004