(57)【要約】【課題】燃料電池の酸素極から排出されるオフガスに含まれる水素を検出する水素検出器において結露が発生することを防止する。【解決手段】燃料電池１１から排出されるカソードオフガスを流通させるカソードオフガス配管１１Ｂに水素検出器１２を配置し、燃料電池１１の空気排出口１１ｂと水素検出器１２との間に除湿器１３を設けた。カソードオフガス配管１１Ｂに、燃料電池１１の空気排出口１１ｂと水素検出器１２との間で除湿器１３を迂回するバイパス配管２３を接続した。燃料電池１１から排出されるカソードオフガスの一部をバイパス配管２３に流通させ、除湿器１３から排出されるカソードオフガスに混合し、混合後のカソードオフガスを水素検出器１２へ供給するように設定した。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を燃料極へ、酸素を酸素極へ供給することによる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、前記カソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガス中の水素を検出する水素検出器とを備えた燃料電池システムであって、
前記オフガスの温度を低下させることで、前記オフガス中の水分を凝縮分離する除湿手段を、前記燃料電池と前記水素検出器との間の前記カソードオフガス流通管に配置することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記除湿手段と前記水素検出器との間の前記カソードオフガス流通管に、前記除湿手段から排出される前記オフガスを加熱する加熱手段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】
前記加熱手段は、前記燃料電池の酸素極から排出される前記オフガスの一部を、前記除湿手段を迂回して流通させるバイパス流通管を備え、前記バイパス流通管の一端は前記燃料電池と前記除湿手段との間で前記カソードオフガス流通管に接続され、前記バイパス流通管の他端は前記除湿手段と前記水素検出器との間で前記カソードオフガス流通管に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素検出器は接触燃焼式の水素センサであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか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、燃料電池システムに係り、特に燃料電池の酸素極から排出されるオフガスに含まれる水素濃度を検知する技術に関する。
【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透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装置のように、燃料電池の酸素極側の排出系に水素検出器を備え、この水素検出器によって、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装置が知られている。
また、水素検出器としては、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、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検出器が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池においては、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池に供給される反応ガス（例えば、水素や空気）には加湿装置等によって水（加湿水）が混合されており、さらに、燃料電池の作動時には電気化学反応による反応生成水が生成される。
このため、上記従来技術の一例に係る燃料電池の保護装置においては、燃料電池から排出される高湿潤のオフガスによって、オフガスの流路内に配置された水素検出器等に結露が発生する場合があり、この場合には、水素検出器の劣化や破損等が生じる虞がある。特に、上述した固体高分子膜型燃料電池は、通常作動温度が、水の蒸気化温度よりも低く、オフガスは多湿度で水分量が多いガスとなって排出されるため、オフガス中の水分が結露しやすいという問題がある。
また、前述のガス接触燃焼式の水素検出器を燃料電池の、特に、酸素極側の排出系に備える場合などは、ガス検出素子に加湿水、反応生成水等が付着すると、素子表面に局所的な温度分布の不均一が発生し、素子破壊や感度低下をもたらす虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の酸素極から排出されるオフガスに含まれる水素量を検知し、燃料電池の状態を検知する装置で、このオフガス中の水素を検出する水素検出器において結露が発生することを防止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、水素を酸素極へ、酸素を酸素極へ供給することによる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（例えば、後述する実施の形態におけるカソードオフガス）を流通させるカソードオフガス流通管（例えば、後述する実施の形態におけるカソードオフガス配管１１Ｂ）と、前記カソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガス中の水素を検出する水素検出器（例えば、後述する実施の形態における水素検出器１２）とを備えた燃料電池システムであって、前記オフガスの温度を低下させることで、前記オフガス中の水分を凝縮分離する除湿手段（例えば、後述する実施の形態における除湿器１３）を、前記燃料電池と前記水素検出器との間の前記カソードオフガス流通管に配置す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、除湿手段は、燃料電池の酸素極から排出されるオフガスの温度を低下させることによって、オフガスの飽和水蒸気圧を低下させ、オフガス中の水蒸気を凝縮分離させる。これにより、燃料電池から排出されるオフガス中に含まれる水分の絶対量を低減させることができ、この除湿後のオフガスを水素検出器へと供給することによって、水素検出器に結露が発生することを防止することができる。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムは、前記除湿手段と前記水素検出器との間の前記カソードオフガス流通管に、前記除湿手段から排出される前記オフガスを加熱する加熱手段（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス配管２３、ヒータ）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、加熱手段は、除湿手段において冷却されたオフガスの温度を上昇させる。これにより、除湿手段から排出されるオフガスが、例えば飽和含水状態であっても、このオフガスの温度上昇に伴って飽和水蒸気圧が高くなり、オフガスの相対湿度を低下させることができるようになり、この相対湿度が低下したオフガスを水素検出器へと供給することによって、水素検出器に結露が発生することを、より一層、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、前記加熱手段は、前記燃料電池の酸素極から排出される前記オフガスの一部を、前記除湿手段を迂回して流通させるバイパス流通管（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス配管２３）を備え、前記バイパス流通管の一端は前記燃料電池と前記除湿手段との間で前記カソードオフガス流通管に接続され、前記バイパス流通管の他端は前記除湿手段と前記水素検出器との間で前記カソードオフガス流通管に接続されている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、除湿手段によって冷却されたオフガスは、燃料電池の酸素極から排出されたオフガスの一部、つまり除湿手段によって冷却されていないオフガスと混合されることによって加熱される。これにより、除湿手段から排出されるオフガスが、例えば飽和含水状態であっても、このオフガスの温度上昇に伴って飽和水蒸気圧が高くなり、オフガスの相対湿度を低下させることができ、この相対湿度が低下したオフガスを水素検出器へと供給することによって、水素検出器に結露が発生することを防止することができる。さらに、加熱のために特別の加熱装置を設ける場合に比べて、装置構成
簡略化することができると共に、燃料電池システム全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
【００１１】
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池システムでは、前記水素検出器は接触燃焼式の水素センサであることを特徴としている。
上記構成の燃料電池システムによれば、接触燃焼式の水素センサをなす水素検出器に結露が発生することを防止することができ、水素検出器に破損や感度低下等の劣化が生じることを防止することができる。
【００１２】
【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。図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０の構成図であり、図２は図１に示す水素検出器１２の側断面図である。
本実施の形態による燃料電池システム１０は、例えば電気自動車等の動力源として車両に搭載されており、例えば、燃料電池１１と、水素検出器１２と、除湿器１３と、冷却回路１４とを備えて構成されている。
【００１３】
燃料電池１１は、例えば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からなり、燃料として水素が供給される燃料極と、酸化剤として例えば酸素を含む空気が供給される酸素極とを備えている。
燃料電池１１の酸素極には、図示しない空気供給源より空気が供給される空気供給口１１ａと、酸素極内の空気等を外部に排出するための空気排出口１１ｂが設けられている。一方、燃料極には、図示しない水素供給源より水素が供給される燃料供給口１１ｃと、燃料極内の水素等を外部に排出するための燃料排出口１１ｄが設けられている。
【００１４】
燃料電池１１の空気排出口１１ｂには、燃料電池１１から排出される空気（カソードオフガス）の流路となるカソードオフガス配管１１Ｂが接続され、このカソードオフガス配管１１Ｂには、図２に示す水素検出器１２が備えられている。水素検出器１２は、カソードオフガス配管１１Ｂの外周面上の上部に固定され、水素を検知する検知部１２ａがカソードオフガス配管１１Ｂ内に露出するように配置されている。
【００１５】
図２に示すように、水素検出器１２はカソードオフガス配管１１Ｂの長手方向に沿って長い直方形状のケース４１を備えている。ケース４１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４２を備えている。フランジ部４２にはカラー４３を取り付けてあり、このカラー４３内にボルトを挿入して、カソードオフガス配管１１Ｂの取付座（図示略）に締め付け固定されるようになっている。
【００１６】
ケース４１の下面には、カソードオフガス配管１１Ｂの貫通孔（図示略）に外側から挿通される筒状部４４が形成されている。ケース４１内には樹脂で封止された回路基板４５が設けられ、この回路基板４５に後述する検出素子４６と温度補償素子４７が接続されている。筒状部４４の内部はガス検知室４８として形成され、ガス検知室４８のカソードオフガス配管１１Ｂの内部側面には、内側に向かってフランジ部４９が形成され、フランジ部４９の内周部分がガス導入部５０として開口形成されている。
【００１７】
そして、このガス導入部５０は、前記カソードオフガス配管１１Ｂの内壁に面一に設定されている。したがって、ガス導入部５０はカソードオフガス配管１１Ｂを流通するオフガスに対して直角方向に指向することとなる。これによって、カソードオフガス配管１１Ｂを流通するオフガスは直接的にガス導入部５０に当たらなくなるため、検出精度の低下を防止できる。
また、筒状部４４の外周面にはシール材５１が取り付けられ、カソードオフガス配管１１Ｂの貫通孔の内周壁に密接して気密性を確保している。そして、この筒状部４４の内部に検出素子４６と温度補償素子４７とが装着されている。
【００１８】
検出素子４６と温度補償素子４７は前記回路基板４５に接続されガス検知室４８内で同一高さで所定間隔を隔てて一対設けられたものである。
検出素子４６は周知の素子であって、被検出ガスである水素が白金等の触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、水素の燃焼により高温となった検出素子４６と雰囲気温度下の温度補償素子４７との間に電気抵抗の差が生ずることを利用し、水素ガス濃度を検出するガス接触燃焼式のガスセンサである。
そして、このような検出素子４６に加湿水、反応生成水等が付着すると、素子表面に局所的な温度分布の不均一が発生し、素子破壊や感度低下をもたらす虞がある。
【００１９】
カソードオフガス配管１１Ｂには、燃料電池１１の空気排出口１１ｂと水素検出器１２との間に除湿器１３が設けられており、この除湿器１３は、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスに含まれる水分を除去して外部へ排出する。
【００２０】
除湿器１３は、カソードオフガス冷却用エバポレータ２１と排水弁２２とを備えて構成され、カソードオフガス冷却用エバポレータ２１は、例えば車両の空調装置等に具備される冷却回路１４に接続されている。
すなわち、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスは、除湿器１３内を流通する際に、カソードオフガス冷却用エバポレータ２１内を流通する冷却媒体によって冷却され、この温度低下に伴って飽和水蒸気圧が低下し、カソードオフガス中の水蒸気が凝縮分離させられる。そして、凝縮分離により発生した液体状の水は、例えば除湿器１３内の底部に設けられた排水口から鉛直方向下方に向かって伸びる配水管１３Ａの排水弁２２が開状態に設定されることで、外部へと排出される。このとき、除湿器１３内の水と共にカソードオフガスが配水管１３Ａから外部に排出されることを防止するために、配水管１３Ａ内は常に水が充満した状態となるように設定されている。
特に、水素検出器１２は、カソードオフガス配管１１Ｂの外周面上の上部に固定されているので、液化した反応生成水が直接付着しないように構成されているが、さらに、カソードオフガスの相対湿度を下げることによって、カソードオフガスの温度が低下した場合であっても、カソードオフガスに含まれる水分が検出素子４６に付着することを防止することができる。
【００２１】
さらに、カソードオフガス配管１１Ｂには、燃料電池１１の空気排出口１１ｂと水素検出器１２との間において、除湿器１３を迂回するバイパス配管２３が設けられている。このバイパス配管２３は、燃料電池１１から排出される相対的に高温のカソードオフガスの一部を、除湿器１３にて冷却されたカソードオフガスに混合し、除湿器１３から排出されるカソードオフガスの温度を上昇させる。
これにより、除湿器１３から排出されるカソードオフガスが、例えば飽和含水状態であっても、このカソードオフガスの温度上昇に伴って飽和水蒸気圧が高くなり、カソードオフガスの相対湿度を低下させることができるようになり、この相対湿度が低下したカソードオフガスが水素検出器１２へと供給される。
【００２２】
なお、カソードオフガス冷却用エバポレータ２１に接続される空調装置の冷却回路１４は、冷媒循環用コンプレッサ３１と、空調装置用エバポレータ３２とを備えて構成され、空調装置用エバポレータ３２から供給される冷却媒体は、冷媒循環用コンプレッサ３１を介して、空調装置用コンデンサ３３へ供給されている。そして、空調装置用コンデンサ３３から排出される冷却媒体は、２つの流路に分岐させられ、一方の流路の冷却媒体は空調装置用エバポレータ３２へ供給され、他方の流路の冷却媒体はカソードオフガス冷却用エバポレータ２１へ供給される。
そして、空調装置用エバポレータ３２から排出された冷却媒体と、カソードオフガス冷却用エバポレータ２１から排出された冷却媒体とは、混合させられた後に、冷媒循環用コンプレッサ３１を介して空調装置用コンデンサ３３へ供給され、循環させられている。
また、空調装置用コンデンサ３３にはコンデンサ用冷却ファン３４が備えられ、コンデンサ用冷却ファン３４からの送風によって空調装置用コンデンサ３３が冷却されている。
【００２３】
上述したように、本実施の形態による燃料電池システム１０によれば、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスは除湿器１３によって除湿されることで、カソードオフガス内に含まれる水分の絶対量が減少させられる。さらに、除湿器１３によって除湿されたカソードオフガスは、加熱され、飽和水蒸気圧が上昇させられた後に水素検出器１２へと供給されることによって、水素検出器１２の検知部１２ａに結露が発生することを、より一層、防止することができる。
しかも、除湿器１３によって除湿されたカソードオフガスは、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスの一部、つまり除湿器１３を迂回するカソードオフガスによって加熱されるため、例えば加熱のために特別の加熱装置を設ける場合に比べて、装置構成を簡略化することができると共に、燃料電池１１のシステム全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
そして、水素検出器１２が水素を検出した場合には、例えば固体高分子電解質膜の劣化あるいは破損等が発生した虞があると判断して、燃料電池システム１０の運転停止等の対策を速やかに講ずることができる。
【００２４】
なお、本実施の形態においては、除湿器１３にて冷却されたカソードオフガスの温度を上昇させるために、除湿器１３を迂回するバイパス配管２３を設けたが、これに限定されず、例えば除湿器１３と水素検出器１２との間にヒータ等の加熱装置を設けてもよいし、例えば除湿器１３内を断熱状態に保持する断熱部材等を設けて除湿器１３内のカソードオフガスの温度を、除湿器１３外部の温度よりも低くなるように設定してもよい。要するに、除湿器１３から排出されるカソードオフガスが、例えば飽和含水状態であっても、このカソードオフガスの温度を、加熱装置や除湿器１３外部の雰囲気温度等によって上昇させることにより、カソードオフガスの飽和水蒸気圧を上昇させ、飽和含水状態を解消するものであればよい。
なお、加熱装置は、例えば電気ヒータ等でもよいし、例えば燃料電池１１に供給される反応ガス（空気および水素）や燃料電池１１から排出されるオフガス（空気および水素）の一部を分岐して導入し、水素を空気と共に燃焼させて発生する燃焼熱によって加熱するものであってもよい。
【００２５】
【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、除湿手段は、燃料電池の酸素極から排出されるオフガスの温度を低下させることによって、オフガスの飽和水蒸気圧を低下させ、オフガス中の水蒸気を凝縮分離させる。これにより、燃料電池から排出されるオフガス中に含まれる水分の絶対量を低減させることができ、この除湿後のオフガスを水素検出器へと供給することによって、水素検出器に結露が発生することを防止することができる。
【００２６】
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、加熱手段は、除湿手段において冷却されたオフガスの温度を上昇させる。これにより、除湿手段から排出されるオフガスが、例えば飽和含水状態であっても、このオフガスの温度上昇に伴って飽和水蒸気圧が高くなり、オフガスの相対湿度を低下させることができるようになり、この相対湿度が低下したオフガスを水素検出器へと供給することによって、水素検出器に結露が発生することを、より一層、防止することができる。
【００２７】
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、除湿手段によって冷却されたオフガスは、燃料電池の酸素極から排出されたオフガスの一部、つまり除湿手段によって冷却されていないオフガスと混合されることによって加熱されるため、水素検出器に結露が発生することを防止することができる。さらに、加熱のために特別の加熱装置を設ける場合に比べて、装置構成を簡略化することができると共に、燃料電池のシステム全体としてのエネルギー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に示す水素検出器の側断面図である。
【符号の説明】
１０　燃料電池システム
１１　燃料電池
１１Ｂ　カソードオフガス配管
１２　水素検出器
１３　除湿器（除湿手段）
２３　バイパス配管（加熱手段、バイパス流通管）
【図１】
2004071251.tif 000003
【図２】
2004071251.tif 000004