(57)【要約】【課題】排出燃料希釈器から排出される水素の濃度を検出することで燃料電池スタックの故障を監視することを目的とする。【解決手段】空気と水素ガスをそれぞれ供給されて発電する燃料電池の複数の水素排出手段８，１０，１１から排出され、滞留室１８に滞留された水素ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に車両外に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において　、前記滞留室１８から車両外に排出されるガス中の水素濃度を測定する水素センサ１６を設け、前記水素センサ１６の検出値に応じて前記複数の水素排出手段８，１０，１１の故障の有無を検出することを特徴とする。【選択図】　　　　図２
2004127750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と水素ガスをそれぞれ供給されて発電する燃料電池の複数の水素排出手段から排出され、滞留室に滞留された水素ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に車両外に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、
前記滞留室から車両外に排出されるガス中の水素濃度を測定する水素センサを設け、
前記水素センサの検出値に応じて前記複数の水素排出手段の故障の有無を検出する、
ことを特徴とする燃料電池の排出ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の動力源となる燃料電池の排出ガス処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車（以下、「車両」という。）の動力源となる燃料電池システムが、例えば、純水素（以下、「水素」という。）を燃料とする場合、燃料電池システムを構成する燃料電池スタックへの水素供給は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ために循環系を採用している（例えば、特許文献１参照）。
循環方式としては、水素を加圧するブロアや負圧を発生させて水素を吸引するエゼクタ、水素ポンプなどを利用する。そして、循環系においては、再循環を長時間続けていると水素中の不純物の濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。また、水分が溜まって燃料電池スタックのアノード配管系内の水素の流れを悪くすることがある。
そこで、車両が信号待ちのときなどに頻繁に不純物の混じった水素や水のパージを行っている。そしてパージされる水素は、高濃度のまま排出しないように、希釈器で一定濃度以下に希釈して排出する。
尚、特許文献１には、パージされる水素を希釈して車両外に排出するという思想は開示されていない。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２７５３００号公報（第４頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発電中に、燃料電池スタックからのパージ水素を希釈器に送る配管の開閉弁（発電中は閉じている）が故障して開いてしまった場合、パージ水素が希釈器に送られ、希釈器から排出される水素の濃度が高くなってしまう。このような場合、希釈器から車両外に排出される水素の濃度の異常を検知して、開閉弁の故障を検知するシステムがなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、排出燃料希釈器から排出される水素の濃度を検出することで燃料電池スタックの故障を監視することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための手段として、本発明に係る請求項１の燃料電池の排出ガス処理装置は、空気と水素ガスをそれぞれ供給されて発電する燃料電池の複数の水素排出手段から排出され、滞留室に滞留された水素ガスを、前記燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に車両外に排出する燃料電池の排出ガス処理装置において、前記滞留室から車両外に排出されるガス中の水素濃度を測定する水素センサを設け、前記水素センサの検出値に応じて前記複数の水素排出手段の故障の有無を検出することを特徴とする。
【０００７】
このような構成としたことにより、請求項１に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、複数の水素排出手段の開閉弁が閉じている場合に、滞留室（排出燃料希釈器）の下流側で水素センサが通常よりも高濃度の水素を検出すれば、開閉弁の何れかが故障して開いてしまっているのを検知することができ、開閉弁が故障していないかどうか監視することが可能になる。
ここで、水素排出手段とは、燃料電池の水素ガスの循環系の配管から分岐したパージ水素配管、アノード極のドレーン配管、加湿器のドレーン配管等のことであり、それぞれ開閉弁を備えている。
滞留室とは、燃料電池の発電の際、循環させて再使用することで生じる不純物を含んだ水素を車両外にパージするとき、このパージ水素を滞留させる排出燃料希釈器内に設けられた室であり、燃料電池のカソードから排出されるカソード排出ガスと混合して希釈後に車両外に排出する。
カソード排出ガスとは、燃料電池のカソード配管系から排出される窒素等を含んだ排出空気のことである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置について実施の形態を説明する。
【０００９】
参照する図面において、図１は燃料電池電気自動車における燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図、図２は本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の図である。
【００１０】
図１に示すように、燃料電池電気自動車１の略中央部の床下に、燃料電池システムボックス２が搭載されている。燃料電池システムボックス２の内部には、燃料電池システム、即ち、温調器３、燃料電池スタック４、加湿器５、及び排出燃料希釈器６が車両１の前方から後方に向かって順に載置されている。燃料電池システムはこれらのほか、燃料電池システムボックス２を冷却する図示せぬラジエタ、高圧水素容器などから構成される。
【００１１】
燃料電池スタック４は、高圧水素容器に貯留された燃料となる水素と、車外から取り入れた空気を供給されて発電を行い、車両１を駆動するための電気を供給する。この燃料電池スタック４を好適に作動させるために、温調器３で燃料電池スタック４に供給される水素及び空気の温度調整を行い、加湿器５で燃料電池スタック４に供給される水素及び空気を加湿する。排出燃料希釈器６は、アノード配管系からのパージ水素を放出させて滞留させ、カソード配管系からの排出空気（カソード排出ガス）と混合して希釈してから車両外に排出する。
【００１２】
燃料電池スタック４で一度使用された水素は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ため、図２に示すように、配管７により加湿器５の上流側に戻され循環系を構成している。又、長時間再循環された水素は不純物の濃度が高くなるので、あるいは、燃料電池スタック４の内部に水が溜まるので、この水素及び水をパージするため、循環系の配管７から分岐して設けられた水素排出手段としてパージ水素配管８が排出燃料希釈器６に接続されている。パージ水素配管８には自動で作動する開閉弁９が設けられ、通常時には閉じられ、パージのときには開かれる。
また、燃料電池スタック４のアノード極のドレーン、及び加湿器５のドレーンを排出するための水素排出手段として、アノード極のドレーン配管１０、及び加湿器ドレーン配管１１が排出燃料希釈器６に接続されている。アノード極のドレーン配管１０、及び加湿器ドレーン配管１１には、それぞれ自動で作動する開閉弁１２，１３が設けられている。
【００１３】
燃料電池スタック４から出る排気空気（カソードオフガス）を車両外に排出するために、排出燃料希釈器６を貫通してカソード配管１４が設けられている。排出燃料希釈器６内のカソード配管（希釈排出部）１４には、穴部１７，１７が設けられ、後述の滞留室１８に滞留する水素を希釈して排出する。また、排出燃料希釈器６の下流側のカソード配管１４には、水素センサ１６が設けられ、更に下流にカソード配管１４のカソード出口１９が開口している。
水素センサ１６は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）２１のような制御手段に接続され、ＥＣＵ２１は、それぞれパージ水素配管８、アノードドレーン配管１０、加湿器ドレーン配管１１の開閉弁９，１２，１３に接続され、これらの開閉弁９，１２，１３を開閉する。
【００１４】
排出燃料希釈器６の上部には、循環系のパージ水素配管８やアノードドレーン配管１０、及び加湿器ドレーン配管１１から放出されるパージ水素の入口部２０，２０、２０が設けられている。排出燃料希釈器６内は、入口部２０から放出された水素の滞留室１８をなす。
尚、１５は逆火防止フィルタ、２５は排水用孔である。
【００１５】
排出燃料希釈器６では、信号待ちで車両が停止したときなどに頻繁に不純物の混じった水素のパージを行っている。ところでイグニッションスイッチを切り、燃料電池スタック４の発電を完全に停止すると、排気空気（カソードオフガス）の流れがなくなるので、排出燃料希釈器６内には車両外に排出されなかった水素が滞留することになる。
そこで、図３に示すように、燃料電池スタック４の発電を停止したあとも、排出燃料希釈器６に燃料電池スタック４からのカソード排気を行うスーパチャージャ２２のような送風手段と、発電を停止したあと燃料電池スタック４の周辺を換気用配管２３を通して換気するためのファン２４のような換気手段を設けた。そして、換気用配管２３と排出燃料希釈器６との間を配管２６で接続し、配管２６の途中に圧力調整が可能なベントバルブ２７のような制御弁を設けた。ベントバルブ２７は、スーパチャージャ２２からの信号圧（カソード圧）が、例えば、１５ＫＰａ以上のとき閉じ、５ＫＰａ以下になったとき開くように調整されている。又、配管２６と換気用配管２３との接続部には、図示せぬスロート部を有する換気インジェクタを設けた。
【００１６】
以上のように構成された本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の作用効果を図２により説明する。
カソード排気によって排出燃料希釈器６に入ったパージ水素及びドレーンは、図２に示すように、拡散して容積が拡大することでしばらく滞留したあと、流れが速く圧力が小さい排気空気が流れているカソード配管１４に設けられた穴部１７，１７及び排水用孔２５，２５から、このカソード配管１４内に吸い込まれ、中を流れる速度の速い排気空気と混合され、希釈されながら排気空気（カソードオフガス）の流れに引っ張られるようにしてカソード出口１９から車両外に所定の低濃度（例えば、濃度１％未満）の水素となって排出され、ドレーンの水も同様にして排水される。
所定期間のスーパチャージャの運転が終了すると、スーパチャージャ２２からの信号圧（カソード圧）が５ｋＰａ以下となって、ベントバルブ２７が開く。その結果、図示せぬ換気インジェクタのスロート部に吸引されて、排出燃料希釈器６内に滞留している高濃度のパージ水素は吸い出され、換気用配管２３内を通流する空気と混合されて希釈され、低濃度の水素となってスタック換気出口２８から車両外に排気される。
【００１７】
そこで、ベントバルブ２７が閉じられ、図２に示す開閉弁９，１２，１３も閉じられて、燃料電池スタック４による発電が行われている状態のとき、排出燃料希釈器６の下流側のカソードオフガス配管１４に設けられた水素センサ１６が、所定の低濃度（例えば、濃度１％未満）よりも高濃度の水素を検出した場合、ＥＣＵ２１によって、パージ水素配管８、アノードドレーン配管１０、加湿器ドレーン配管１１の開閉弁９，１２，１３から水素センサで検知して、何れの開閉弁９，１２，１３が故障して開いてしまっているのかを検知することができ、必要ならＥＣＵ２１によって、警報を発するように指示したり、図示せぬイグニッションスイッチを止めることができる。つまり、発電中（発電停止後）に、排出燃料希釈器６の下流に設けた水素センサ１６の示す濃度が所定値以上のときに、いずれかの水素排出手段（開閉弁９，１２，１３…）が故障したものと判断する。ちなみに、本実施形態の場合、排出燃料希釈器６下流側で所定値以上の水素濃度にならないように設計されているので、排出燃料希釈器６の下流で所定値以上の濃度の水素が検知される場合は、制御が異常（弁の故障等）であると判断する。
【００１８】
以上より、排出燃料希釈器６の下流側に水素センサ１６を設けることにより、ベントバルブ２７が閉じられ、排出燃料希釈器６の上流側の開閉弁９，１２，１３も閉じられている場合に、開閉弁９，１２，１３の何れが故障したのかを検出して、監視することが可能になる。必要ならＥＣＵ２１によって、発電を停止することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明に係る燃料電池の排出ガス処理装置では、燃料電池スタックが発電中で、複数の水素排出手段の開閉弁が閉じている場合に、排出燃料希釈器の下流側で水素センサが通常よりも高濃度の水素を検出すれば、開閉弁の何れかが故障して開いてしまっているのを検知することができ、開閉弁が故障していないかどうか監視することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池搭載型電気自動車における燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図である。
【図２】本発明の燃料電池の排出ガス処理装置の図である。
【符号の説明】
１　：燃料電池搭載型電気自動車（車両）
２　：燃料電池システムボックス
４　：燃料電池スタック
６　：排出燃料希釈器
８　：パージ水素配管
９，１２，１３　：開閉弁
１０　：アノードドレーン配管
１１　：加湿器ドレーン配管
１４　：カソード配管
１６　：水素センサ
１７　：穴部
１８　：滞留室
２０　：入口部
２１　：ＥＣＵ
２３　：換気用配管
２４　：ファン
２６　：配管
２７　：ベントバルブ
【図１】
2004127750.tif 000003
【図２】
2004127750.tif 000004