(57)【要約】【課題】水素の検出を行う箇所を削減すること無しに、必要とされる水素センサの個数を削減する。【解決手段】燃料電池２を内部に収容する筐体２ａに、換気装置３の換気動作により筐体２ａ内から排出される排出ガスを流通させる換気排出管１６を設け、換気排出管１６を合流部１４ａにおいて酸素極側の出口側配管１４に接続した。換気排出管１６には、出口側配管１４側から筐体２ａへと向かう方向にガスが流通することを規制する逆止弁１７を設けた。酸素極側の出口側配管１４には、換気排出管１６が接続される合流部１４ａよりも下流側にずれた位置において、ガス接触燃焼式の水素センサ４を取り付け、この水素センサ４により酸素極側の出口側配管１４内を流通するオフガスおよび排出ガスの混合ガス中に水素が排出されていないことを確認できるようにした。【選択図】　　　図１
2004055205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記燃料電池の酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管と、
前記燃料電池を内部に収容する筐体と、前記筐体内を換気する換気装置と、
前記カソードオフガス配管に接続され、前記換気装置の換気によって前記筐体内から排出される排出ガスを前記オフガスに合流させる換気配管と、
前記カソードオフガス配管において前記換気配管が接続された接続部から下流側にずれた位置に配置され、前記カソードオフガス配管内の水素を検出する水素センサと
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記換気配管は、前記カソードオフガス配管から前記筐体内へと向かう方向に前記オフガスが流通することを規制する逆止弁を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記カソードオフガス配管の前記接続部にはエゼクタが備えられ、前記エゼクタは、前記カソードオフガス配管を流通する前記オフガスによって発生する負圧によって、前記換気配管からの前記排出ガスを吸い込むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記オフガスの流量または前記オフガスの流量に係る状態量に応じて前記換気装置の作動状態を制御する換気装置制御手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素センサを具備する燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極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酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
このような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池において、従来、例えば特開平６−２２３８５０号公報に開示された燃料電池の保護システムのように、燃料電池の酸素極側の排出系に水素センサを備え、この水素センサによって、燃料極側の水素が固体高分子電解質膜を通じて酸素極側に漏洩したことを検知したときは、燃料の供給を遮断する保護システムが知られている。
また、水素センサとしては、例えば白金等の触媒からなるガス検出素子と温度補償素子とを一対備え、水素が白金等の触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によってガス検出素子が相対的に高温の状態になったときに、例えば雰囲気温度下等の相対的に低温の状態の温度補償素子との間に生じる電気抵抗の差異に応じて、水素ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式の水素センサが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような燃料電池の保護システムや、例えば燃料電池を動力源として備える燃料電池車両等の車両においては、燃料電池の酸素極側の排出系に限らず、燃料電池システムや車両のその他の箇所において、水素ガスが漏洩していないことを確認するための複数の水素センサを配置することが望まれる場合がある。この場合、複数の水素センサを備えることによって、燃料電池システムの構成に要する費用が嵩んだり、複数の水素センサを作動させるのに要する消費電力が増大してしまうという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、水素の検出を行う箇所を削減すること無しに、必要とされる水素センサの個数を削減することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池システムは、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池２）と、前記燃料電池の酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管（例えば、実施の形態での酸素極側の出口側配管１４）と、前記燃料電池を内部に収容する筐体（例えば、実施の形態での筐体２ａ）と、前記筐体内を換気する換気装置（例えば、実施の形態での換気装置３）と、前記カソードオフガス配管に接続され、前記換気装置の換気によって前記筐体内から排出される排出ガスを前記オフガスに合流させる換気配管（例えば、実施の形態での換気排出管１６）と、前記カソードオフガス配管において前記換気配管が接続された接続部（例えば、実施の形態での合流部１４ａ）から下流側にずれた位置に配置され、前記カソードオフガス配管内の水素を検出する水素センサ（例えば、実施の形態での水素センサ４）とを備えることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池を収容する筐体とカソードオフガス配管とが換気配管により接続されており、カソードオフガス配管における接続部の下流側にずれた位置に水素センサが配置されていることにより、例えば各筐体及びカソードオフガス配管毎に水素センサを設ける場合に比べて、必要とされる水素センサの個数を削減することができる。
しかも、カソードオフガス配管にのみ水素センサが配置されることに伴い、燃料電池を収容する筐体とカソードオフガス配管とが換気配管により接続されることにより、筐体内から排出される排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、換気装置による筐体内の換気動作を補助することができる。これにより、例えば筐体内の水素量が増大することがあったとしても、換気装置による換気量を増大させる必要無しに、筐体内の水素を強制的に排出させることができる。さらに、例えば筐体内から排出される排出ガスを直接、筐体の外部に排出する場合に比べて、排出ガスをオフガスに混合して排出するため、例えば筐体内の水素量が増大することがあったとしても、排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、いわば水素量を希釈して排出することができる。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記換気配管は、前記カソードオフガス配管から前記筐体内へと向かう方向に前記オフガスが流通することを規制する逆止弁（例えば、実施の形態での逆止弁１７）を備えることを特徴としている。
【０００８】
上記構成の燃料電池システムによれば、逆止弁を備えたことにより、カソードオフガス配管内を流通するオフガスが筐体内へと向かい流通してしまうことを確実に防止することができる。
【０００９】
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記カソードオフガス配管の前記接続部にはエゼクタ（例えば、実施の形態でのエゼクタ５１）が備えられ、前記エゼクタは、前記カソードオフガス配管を流通する前記オフガスによって発生する負圧によって、前記換気配管からの前記排出ガスを吸い込むことを特徴としている。
【００１０】
上記構成の燃料電池システムによれば、エゼクタの内部を流通するオフガスのガス流によって、筐体内から排出される排出ガスが吸い込まれるようにしてオフガスと合流させられることから、カソードオフガス配管内を流通するオフガスが筐体内へと向かい流通してしまうことを確実に防止することができると共に、換気装置による筐体内の換気動作を補助することができる。
【００１１】
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池システムは、前記オフガスの流量または前記オフガスの流量に係る状態量に応じて前記換気装置の作動状態を制御する換気装置制御手段（例えば、実施の形態での制御装置５）を備えることを特徴としている。
【００１２】
上記構成の燃料電池システムによれば、エゼクタの内部を流通するオフガスの流量が増大すると、このオフガスのガス流によって吸い込まれるようにしてオフガスと合流させられる排出ガスの流量が増大することから、例えば換気装置制御手段によって、換気装置による換気量を低減させたり、換気装置の作動を停止させても、筐体内での所望の換気作用を継続させることが可能となる。これにより、換気装置での消費電力を低減させることができ、燃料電池システムの作動効率を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る燃料電池システム１は、例えば、燃料電池２と、燃料電池２を内部に収容する筐体２ａ内を換気する換気装置３と、水素センサ４と、制御装置５と、記憶装置６とを備えて構成されている。
【００１４】
燃料電池２は、例えば陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極で挟持した電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セル（図示略）を多数組積層して構成されている。
例えば図１に示すように、燃料極に入口側配管１１から供給された水素などの燃料ガスは、燃料極の触媒電極上で水素がイオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介して酸素極へと移動する、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸素極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスを含む空気等が入口側配管１２を介して供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、燃料極側、酸素極側共に出口側配管１３、１４から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。
【００１５】
燃料電池２を内部に収容する筐体２には、例えば制御装置５により駆動制御されるファン等からなる換気装置３を介して、外部から空気等の換気用の気体を取り込むための換気導入管１５と、換気動作により筐体２内から排出される排出ガスを流通させる換気排出管１６とが設けられている。
ここで、換気排出管１６は、酸素極側の出口側配管１４に設けられた合流部１４ａにおいて、この出口側配管１４に接続されており、さらに、換気排出管１６には、出口側配管１４側から筐体２ａへと向かう方向にガスが流通することを規制する逆止弁１７が設けられている。
そして、酸素極側の出口側配管１４には、換気排出管１６が接続される合流部１４ａよりも下流側にずれた位置において、出口側配管１４の鉛直方向上部にガス接触燃焼式の水素センサ４が取り付けられ、この水素センサ４により酸素極側の出口側配管１４内を流通するオフガス中に水素が排出されていないことを確認できるようになっている。
また、燃料電池２の酸素極側の入口側配管１２には、酸素極側に供給される空気の流量を検出する流量検出器１２ａが備えられ、この流量検出器１２ａから出力される検出信号は制御装置５に入力されている。
【００１６】
水素センサ４は、例えばガス接触燃焼式の水素センサとされ、例えば図２および図３に示すように、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。フランジ部２２にはカラー２３を取り付けてあり、このカラー２３内にボルト２４を挿入して、酸素極側の出口側配管１４に設けられた各取付座２５に締め付け固定されるようになっている。
また、例えば図３に示すように、ケース２１の下面には筒状部２６が形成され、筒状部２６の内部はガス検出室２７として形成され、ガス検出室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。
【００１７】
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個のピン３３により、ガス検出室２７の底面２７Ａ上に配置されたベース３４から、水素センサ本体の厚さ方向に一定距離の高さで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、出口側配管１４の貫通孔１４ａの内周壁に密接して気密性を確保している。
【００１８】
検出素子３１は周知の素子であって、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を、被検出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。
温度補償素子は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子と同等のコイルの表面をアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
そして、被検出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、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず雰囲気温度下の温度補償素子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。
例えば、検出素子３１と温度補償素子３２との間の電気抵抗値の差に係る状態量として、検出素子３１と温度補償素子３２とが適宜に接続されてなる回路の所定接点間の電圧や電流の検出値が制御装置５へ出力され、制御装置５においては、検出値の変化に応じて予め設定された水素濃度のマップ等が記憶装置６から検索され、水素濃度が算出される。
【００１９】
本実施の形態による燃料電池システム１は上記構成を備えており、次に、この燃料電池システム１の動作について説明する。
この燃料電池システム１においては、換気装置３の作動時に筐体２内から排出される排出ガスを流通させる換気排出管１６と、酸素極側の出口側配管１４とが、合流部１４ａにて接続されていることから、この合流部１４ａよりも下流側において出口側配管１４内には、燃料電池２から排出される酸素極側のオフガスと、筐体２内から排出される排出ガスとが混合された混合ガスが流通させられる。
これにより、合流部１４ａの下流側にずれた位置に配置された水素センサ４は、混合ガス中に水素が排出されていないことを確認できるようになっており、例えば排出ガス中に水素が含まれる場合、又は、オフガス中に水素が含まれる場合の何れか一方の場合に対しても、単一の水素センサ４によって水素濃度を検出することができるようになっている。
【００２０】
上述したように、本実施の形態による燃料電池システム１によれば、換気装置３の作動時に筐体２内から排出される排出ガスを流通させる換気排出管１６と、酸素極側の出口側配管１４とが、合流部１４ａにて接続され、合流部１４ａの下流側にずれた位置に水素センサ４が配置されていることから、単一の水素センサ４によって排出ガスとオフガスとの両方のガスを検査対象とすることができる。これにより、例えば検査対象箇所毎に複数の水素センサ４を配置する場合に比べて、必要とされる水素センサ４の個数を削減することができ、燃料電池システム１の構成に要する費用の削減に資することができる。
しかも、酸素極側の出口側配管１４にのみ水素センサ４が配置されることに伴い、燃料電池２を収容する筐体２ａと出口側配管１４とが換気排出管１６により接続されることにより、筐体２ａ内から排出される排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、換気装置３による筐体２ａ内の換気動作を補助することができる。これにより、例えば筐体２ａ内の水素量が増大することがあったとしても、換気装置３による換気量を増大させる必要無しに、筐体２ａ内の水素を強制的に排出させることができる。さらに、例えば筐体２ａ内から排出される排出ガスを直接、筐体２ａの外部に排出する場合に比べて、排出ガスをオフガスに混合して排出するため、例えば筐体２ａ内の水素量が増大することがあったとしても、排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、いわば水素量を希釈して排出することができる。
【００２１】
なお、上述した本実施の形態においては、換気排出管１６に逆止弁１７を設け、出口側配管１４側から筐体２ａへと向かう方向にガスが流通することを規制するとしたが、これに限定されず、例えば図４に示す本実施形態の変形例のように、酸素極側の出口側配管１４の合流部１４ａに、内部を流通するオフガスの近傍に発生する負圧によって、換気排出管１６からの排出ガスを吸い込み、この排出ガスをオフガスと混合して出口側配管１４の下流側へ流通させるエゼクタ５１を備えてもよい。
すなわち、エゼクタ５１は、例えば図５に示すように、テーパ状の内周面を有するディフューザ５２の基端開口に副流室５３を連接し、ディフューザ５２と同軸に配置されたノズル５４の先端部を、副流室５３内に突き出してディフューザ５２の基端開口に臨ませて構成されている。そして、酸素極側の出口側配管１４からエゼクタ５１に供給されるオフガスは、ノズル５４の先端部からディフューザ５２の基端開口に向かって噴射されており、この高速のオフガス流に引き込まれるようにして換気排出管１６から副流室５３内に導入された排出ガスがディフューザ５２へ連行される。
【００２２】
この場合、筐体２ａ内から排出される排出ガスが吸い込まれるようにしてオフガスと合流させられることから、酸素極側の出口側配管１４を流通するオフガスが筐体２ａ内へと向かい流通してしまうことを確実に防止することができると共に、換気装置３による筐体２ａ内の換気動作を補助することができる。
すなわち、エゼクタ５１の内部を流通するオフガスの流量が増大すると、このオフガスのガス流によって吸い込まれるようにしてオフガスと合流させられる排出ガスの流量が増大することから、制御装置５は、例えば流量検出器１２ａから出力される反応ガスの流量の検出値に基づいて、換気装置３による換気量を低減させたり、換気装置３の作動を停止させても、筐体２ａ内での所望の換気作用を継続させることができる。これにより、換気装置３での消費電力を低減させることができ、燃料電池システム１の作動効率を向上させることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池システムによれば、例えば検査対象箇所毎に複数の水素センサを配置する場合に比べて、必要とされる水素センサの個数を削減することができ、燃料電池システムの構成に要する費用の削減に資することができる。
しかも、カソードオフガス配管にのみ水素センサが配置されることに伴い、燃料電池を収容する筐体とカソードオフガス配管とが換気配管により接続されることにより、筐体内から排出される排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、換気装置による筐体内の換気動作を補助することができる。これにより、例えば筐体内の水素量が増大することがあったとしても、換気装置による換気量を増大させる必要無しに、筐体内の水素を強制的に排出させることができる。さらに、例えば筐体内から排出される排出ガスを直接、筐体の外部に排出する場合に比べて、排出ガスをオフガスに混合して排出するため、例えば筐体内の水素量が増大することがあったとしても、排出ガスに比べて相対的に流量が大きいオフガスによって、いわば水素量を希釈して排出することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムによれば、カソードオフガス配管内を流通するオフガスが筐体内へと向かい流通してしまうことを確実に防止することができる。
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池システムによれば、カソードオフガス配管内を流通するオフガスが筐体内へと向かい流通してしまうことを確実に防止することができると共に、換気装置による筐体内の換気動作を補助することができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池システムによれば、換気装置での消費電力を低減させることができ、燃料電池システムの作動効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示す水素センサの平面図である。
【図３】図２に示すＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図４】本実施形態の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図５】酸素極側の出口側配管の合流部に配置されたエゼクタの断面図である。
【符号の説明】
１　燃料電池システム
２　燃料電池
２ａ　筐体
３　換気装置
４　水素センサ
５　制御装置（換気装置制御手段）
１４　酸素極側の出口側配管（カソードオフガス流通管）
１４ａ　合流部（接続部）
１６　換気排出管（換気配管）
１７　逆止弁
５１　エゼクタ
【図１】
2004055205.tif 000003
【図２】
2004055205.tif 000004
【図３】
2004055205.tif 000005
【図４】
2004055205.tif 000006
【図５】
2004055205.tif 000007