(57)【要約】    【課題】  燃料電池の排気ガスが流れる排気管５内の水素濃度を検出するに際して、水素濃度検出手段１４の結露を防止して検出精度を向上する。    【解決手段】  排気管５から分岐した排気ガス導入通路１３を介して、水素濃度検出手段１４を配置する。この水素濃度検出手段１４は、前記排気ガス導入通路１３を介して排気ガスを取込む検出室１５と、この検出室１５内に配置されて水素濃度を検出する水素濃度検出素子１６と、検出室１５内を加熱して結露を防止するヒータ１７とを有する構成とする。そして、排気ガス導入通路分岐部位１９から水素濃度検出手段１４までの距離Ｘを、燃料電池起動時に、ヒータ１７により検出室１５が暖機されるまで、排気ガス中の水蒸気が検出室１５に拡散するのを遅延させるように設定する。【選択図】  図２
2006155973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池排気ガス中の水素濃度を監視する水素濃度検出装置であって、
前記排気ガスが流通する主流路から分岐した排気ガス導入通路と、この排気ガス導入通路を介して配置した水素濃度検出手段とからなり、
前記水素濃度検出手段は、前記排気ガス導入通路を介して排気ガスを取込む検出室と、この検出室内に配置されて水素濃度を検出する水素濃度検出素子と、検出室内を加熱して結露を防止するヒータとを有していると共に、前記分岐部位からの距離を、燃料電池起動時に、前記ヒータにより前記検出室が暖機されるまで、前記排気ガス中の水蒸気が前記検出室に拡散するのを遅延させるように設定してあることを特徴とする燃料電池用水素濃度検出装置。
【請求項２】
前記距離は、前記水素濃度検出素子の応答遅れ時間内に、前記主通路内の排気ガス中水素ガスが前記水素濃度検出素子に到達し得る距離とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用水素濃度検出装置。
【請求項３】
前記排気ガス導入通路に金属メッシュを充填したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池用水素濃度検出装置。
【請求項４】
前記排気ガス導入通路における前記主流路との分岐部位に絞りを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池用水素濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池排気ガスの流路上で、排気ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜を使用し、100 ℃以下の温度で水素ガスを燃料として発電を行う小型の燃料電池システムが開発され、自動車用や都市ガスを利用した住宅用の発電システムとして応用されている。燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟み込んで構成されるセルを積層した、スタック構造からなり、アノードに燃料として水素ガスを、カソードに酸化剤として空気を供給し、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして、発電する。このような燃料電池を応用した発電システムにおいては、固体高分子電解質膜が乾燥したり、欠陥が存在した場合に、アノード側からカソード側に微量の水素ガスが漏れる可能性があり、特にシステム開発の実験段階においては、カソード側排気中の水素濃度を監視する水素濃度検出装置が設けられる場合がある。
【０００３】
また、カソード側に供給された空気中の窒素が微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入するので、水素ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると、発電が不安定になる場合がある。燃料電池の発電が不安定になった場合の従来の回復方法としては、水素ガス循環流路からガス排出を行い、水素ガスに混入した窒素を排出して水素ガス純度を回復させ、燃料電池の発電を安定的に継続させる方法がある。しかしながら、水素ガス循環流路からのガス排出では水素ガスも同時に排出されるので、そのまま無制限に排出すると、可燃濃度域の水素ガスを大気中に放出する可能性がある。そこで、水素ガス循環流路からの排出ガス流量を制御し、カソード側からの排気ガスと混合して水素濃度を希釈し、可燃域下限濃度未満として排気する手法がとられる。このような水素ガス循環流路からのガス排出制御を検討するためにも、カソード側排気中の水素濃度を監視する水素濃度検出装置が特にシステム開発の実験段階において設けられる場合がある。
【０００４】
このような水素濃度検出装置は、特許文献１に開示されており、燃料電池排気ガスの主流路（排気管）に配置されている。
【特許文献１】特開２００４−１７８８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来の燃料電池用水素濃度検出装置においては、以下のような問題があった。
すなわち、燃料電池システムにおいては、カソード側において水素と酸素とを反応させて電力を得るため、カソード側の排気ガスは反応生成物の水蒸気と未反応の酸素および窒素ガスからなり、排気ガスは相対湿度100%RHの状態である。また、排気ガスは燃料電池カソード内の反応熱により、40〜80℃の温度で排出される。この温度および湿度状態の排気ガスが燃料電池から排出された後、排気管を流通する間に冷却され、排気中相対湿度は過飽和状態となり一部が排気管内で凝集して結露水となり、排気口から水蒸気と共に排出される。従って、この排気管に配置される水素濃度検出手段には、その排気ガスに接触する部位に常時結露水が発生する。
【０００６】
水素濃度検出手段は、一般に、測定対象ガスが導入される検出室に、水素ガスと接触して濃度に対応した電気信号を発生する水素濃度検出素子を有し、検出室の入口には外部からの異物侵入防止のため通気性フィルタが設置されている。排気管内壁の結露水は前記通気性フィルタに撥水機能を付与することで進入を防止できるが、排気ガスの湿度が100%RHであるため、検出室内壁に発生した結露水が素子表面を覆い、水素ガスとの接触が妨害されて水素濃度を検出できなくなり、さらに素子の電気的な故障の原因になる等の問題がある。
【０００７】
この問題を回避するために、検出室内部に電気ヒータを設置して、排気ガス温度より暖めても、始動時は充分な温度に暖機するまで時間がかかり、昇温が終了するまでは結露が発生するという問題があった。
また、水素濃度検出手段と排気管との間に排気ガス遮断弁等を設置して、検出室内壁がヒータで暖機し終わるまで、排気ガスを遮断する方法も考えられるが、自動車用燃料電池システムにおいては、冬季夜間に野外保管する場合、気温が氷点下に下がっても排気ガス遮断弁が凍結しないよう、保温装置の追加が必要になる等、装置の大型化や高価格化を招くという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題に鑑み、遮断弁等の部品を付加することなく、水素濃度検出手段への結露を防止し、安価で小型な信頼性の高い燃料電池用水素濃度検出装置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】
【０００９】
このため、本発明に係る燃料電池用水素濃度検出装置は、燃料電池の排気ガスが流通する主流路から分岐した排気ガス導入通路を介して、水素濃度検出手段を配置する。そして、この水素濃度検出手段は、前記排気ガス導入通路を介して排気ガスを取込む検出室と、この検出室内に配置されて水素濃度を検出する水素濃度検出素子と、検出室内を加熱して結露を防止するヒータとを有する構成とすると共に、前記分岐部位からの距離を、燃料電池起動時に、前記ヒータにより前記検出室が暖機されるまで、前記排気ガス中の水蒸気が前記検出室に拡散するのを遅延させるように設定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池起動時に、排気ガス中の水蒸気が水素濃度検出手段に到達する前に、検出室内部を結露を生じない温度まで昇温させることができ、排気ガス遮断弁やその保温装置等を用いない簡便な構成で、結露を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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は本発明に係る水素濃度検出装置を含む燃料電池システムの一実施形態を示す構成図である。
燃料電池ケース１内に燃料電池スタック２が設置されている。燃料電池スタック２は、水素イオンを通す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もので、アノードには、燃料として、水素ガス供給管３から水素ガスが供給され、カソードには、酸化剤として、空気供給管４から空気が供給される。
【００１２】
アノードに供給された水素ガスは触媒反応により水素イオンとなり、固体高分子電解質膜を通過してカソードへ移動し、カソードで空気（酸素）と電気化学反応を起こして、起電力を発生し、このとき水を生成する。カソード側の反応済みのガスは、水蒸気となって、排気管５へ流れ、大気中へ排出される。また、アノード側の未反応の水素ガスは水素ガス循環配管６から循環水素ガス昇圧手段７を経由して水素ガス供給管３へ戻り、再利用される。
【００１３】
カソードに供給された空気中の窒素ガスが固体電解質膜を透過してアノード側水素循環系に混入し、水素ガス純度が低下した場合は、窒素ガス排出弁８を開いて水素ガス循環配管６内の窒素ガスを窒素ガス排出管９から排気管５に排出することで、水素ガス純度を回復させる。
排気管５には、水素濃度検出装置１０が配設され、排気ガス中の水素濃度を監視する。もし、排気ガス中の水素濃度が設定値を超えた場合は、制御ユニット１１より指令を出し、水素ガス供給管３に設置した水素ガス供給遮断弁１２を用いて、水素ガスの供給を停止することで、燃料電池システムの運転を停止する。
【００１４】
また、窒素ガス排出弁８を開いてアノード側水素循環系内の窒素ガスを排出する際には、窒素ガスと同時に排出される水素ガスの濃度がカソード側の排気ガスとの混合後に可燃域に達しないよう、水素濃度検出装置１０で排気ガス中の水素濃度を監視して、制御ユニット１１により窒素ガス排出弁８による窒素ガスの排出量を制御する。
次に本発明に係る水素濃度検出装置１０について説明する。
【００１５】
水素濃度検出装置１０は、燃料電池スタック２のカソードからの排気ガスの主流路である排気管５から分岐した排気ガス導入通路１３と、この排気ガス導入通路１３を介して配置した水素濃度検出手段１４とから構成される。尚、排気ガス導入通路１３の分岐先の端部は水素濃度検出手段１４によって閉塞されているが、別部材により閉塞して、閉塞端部又はその近傍の側壁より水素濃度検出手段１４を臨ませてもよい。
【００１６】
図２は水素濃度検出装置１０の拡大図で、本発明の第１実施形態を示している。これを参照して、水素濃度検出手段１４の詳細構成について説明する。
水素濃度検出手段１４は、排気ガス導入通路１３を介して排気ガスを取込む検出室１５と、検出室１５の最奥部に配置され水素濃度を検出して電気信号に変換する水素濃度検出素子１６と、検出室１５内壁を加熱して結露発生を防止するヒータ１７と、を有している。また、検出室１５の入口部には、検出対象の排気ガス以外の異物の侵入を防ぐ、通気性を有するフィルタ１８を有している。
【００１７】
また、水素濃度検出素子１６は、酸化触媒を用いる接触燃焼方式、半導体表面の空乏層の電気抵抗変化を利用する酸化物半導体方式、導入ガスの熱伝導率を測定する熱伝導率方式のもの等が用いられるが、起動中の素子温度が排気温度よりも高温に維持される方式が、起動中の結露が防止されるので好ましい。
次に水素濃度検出手段１４の設置位置について説明する。
【００１８】
水素濃度検出手段１４の設置位置は、排気管５からの排気ガス導入通路１３の分岐部位１９から所定の範囲内の距離Ｘに設定される。排気ガス導入通路１３は終端が閉じた構造を有するので、排気ガスが流通しない。排気ガス中の水素ガスは、主に気中拡散により、分岐部位１９から検出室１５内の水素濃度検出素子１６に到達することにより検出されるので、排気管５内の水素濃度が変化したときに充分な応答性をもって検出室１５内の水素濃度も変化し、両者の水素濃度の相違も測定上問題ない程度に、距離Ｘを短く設定することが必要である。
【００１９】
一方、排気ガス中の水蒸気は、検出室１５内部に結露を発生させ、水素濃度検出素子１６の測定精度低下や故障の原因となる。結露防止用には、検出室１５内部にヒータ１７を設置して内壁を排気ガス温度以上に加温しているが、システムの起動時には、検出室１５内壁の温度が冷えているため、飽和湿度状態の水蒸気が到達すると結露を生じる可能性がある。システム起動時の結露を防止するためには、水素濃度検出手段１４と分岐部位１９との距離Ｘを長く設定することが好ましく、このような構成により、排気管５を流通する排気ガスの水蒸気が検出室１５まで拡散到達するのが遅れ、検出室１５内壁の暖機を先に完了させることが可能になる。
【００２０】
空気中の水素ガスおよび水蒸気の拡散は、互いの拡散係数の比が約３であり、同条件では水素ガスが水蒸気より３倍速く拡散する。さらに、システム起動時は排気ガス導入通路１３内の空気は周囲温度と同等に冷えており、排気管５を流通する排気ガスは飽和湿度状態にあるので、分岐部位１９から排気ガス導入通路１３へ拡散する水蒸気は温度が下がり凝集、液化するために気中濃度（絶対湿度）が低下し、拡散する水蒸気の先端の濃度勾配が緩やかになり、さらに拡散速度が低下することが期待できる。従って、分岐部位１９から水素濃度検出手段１４までの距離Ｘを適切に設定することにより、検出室１５内の水素濃度は排気管５を流通する排気ガス中の水素濃度に数秒で追随し、水蒸気濃度はガス導入通路１３が冷えているシステム起動時においては、排気管５を流通する排気ガスの相対湿度が100%（飽和状態）となっても、数十秒〜数百秒は飽和湿度に到達しない状態を作り出すことが可能である。そして、検出室１５を小型化し、ヒータ１７に昇温速度が速く発熱量の適切なものを用いれば、検出室１５の内壁を電源投入から数十秒で結露が発生しにくい温度（排気ガス温度以上）に昇温することができ、システム起動時においても検出室１５内部に結露が発生せず、排気ガス中の水素濃度を応答性よく検出できる水素濃度検出装置が得られる。
【００２１】
図３は、排気ガス導入通路分岐部位から水素濃度検出手段までの距離Ｘ（言い換えれば排気ガス導入通路の通路長さ）の設定範囲を示す。
図３（ａ）は、距離Ｘと、応答時間（詳しくは、排気管５を流通する排気ガス中の水素濃度の変動に対する水素濃度検出手段１４の水素濃度検出遅れ時間）との関係を示したものである。これによれば、ある距離Ｌ１までは応答時間は数秒以内であるが、Ｌ１より長くなると水素ガスが到達するのに時間がかかり、応答時間も次第に長くなる。水素濃度検出素子１６は、その検出原理上、10秒程度の応答遅れを有するので、図３（ａ）で応答遅れ10秒以内となる距離Ｌ１以下に設定することが望ましい。
【００２２】
図３（ｂ）は、距離Ｘと、水蒸気到達時間（詳しくはシステム起動時に分岐部位１９から水蒸気が拡散して検出室１５での湿度が80%RH を超えるまでの時間）との関係を示したものである。距離Ｘが短ければ、排気ガス中の水蒸気が直ぐに検出室１５内へ拡散するが、距離Ｘが長くなると検出室１５内の湿度が結露の可能性がある80%RH 以上に上昇するまでの時間が長くなる。検出室１５を小型化し内部にセラミックヒータ等の昇温速度の速いヒータを使用すれば、起動60sec で検出室１５内壁温度を結露の可能性が低い60℃以上に暖機できるので、距離Ｘはそのような距離Ｌ２以上に設定されることが望ましい。
【００２３】
本実施形態によれば、燃料電池用水素濃度検出装置の構成を、排気ガスが流通する主流路（排気管５）から分岐した排気ガス導入通路１３と、この排気ガス導入通路１３を介して配置した水素濃度検出手段１４とからなるものとし、前記水素濃度検出手段１４は、前記排気ガス導入通路１３を介して排気ガスを取込む検出室１５と、この検出室１５内に配置されて水素濃度を検出する水素濃度検出素子１６と、検出室１５内を加熱して結露を防止するヒータ１７とを有していると共に、排気ガス導入通路分岐部位（１９）からの距離Ｘを、燃料電池起動時に、前記ヒータ１７により前記検出室１５が暖機されるまで、排気ガス中の水蒸気が前記検出室１５に拡散するのを遅延させるように設定（Ｘ＞Ｌ２）したことにより、遮断弁等を追加しなくても、燃料電池起動時に水素濃度を応答遅れなく検出でき、排気ガス中の水蒸気が検出室１５内に拡散する前に暖機を終了させて、結露発生を防止でき、安価で小型な構成で高い信頼性が得られるという効果がある。
【００２４】
また、前記距離Ｘを、水素濃度検出素子１６の応答遅れ時間内に、主通路（排気管５）内の排気ガス中水素ガスが水素濃度検出素子１６に到達し得るように設定（Ｘ＜Ｌ１）することにより、排気管５を流通する排気ガスの水素濃度の変動に対する検出遅れを最小にすることができる。
図４は本発明に係る水素濃度検出装置１０の第２実施形態を示している。
【００２５】
第１実施形態（図２）と異なる点は、排気ガス導入通路１３の内部に、金属メッシュ２０を充填している。
金属メッシュ２０は、適切な防錆機能を持った、金属ワイヤーの網、もしくは不織布状の構成物であり、システム起動時には周囲温度と同等に冷えているため、排気ガス導入通路１３に進入した水蒸気の冷却・結露を促進し、絶対湿度を下げる働きがある。
【００２６】
このため、湿度勾配が緩やかになり、排気ガス導入通路１３への水蒸気拡散が遅くなることが期待できる。従って、金属メッシュ２０を設置しない場合に比べて、より短い距離Ｌ２で検出室１５内湿度の上昇時間を遅らせることができ、水素濃度検出装置を小型化できる。
すなわち、本実施形態によれば、排気ガス導入通路１３に金属メッシュ２０を充填したことにより、システム起動時に排気管５から排気ガス導入通路１３へ拡散してきた水蒸気の冷却が促進され、水蒸気濃度（絶対湿度）を低下させて拡散速度を遅らせることができる。このため、排気管５と排気ガス導入通路１３との分岐部位１９から水素濃度検出手段１４までの距離を短く設定しても、水蒸気が到達する前に、検出室１５内部を結露が生じない温度に昇温させることが可能である。従って、より小型の水素濃度検出装置を構成することができる
図５は本発明に係る水素濃度検出装置１０の第３実施形態を示している。
【００２７】
第１実施形態（図２）と異なる点は、排気ガス導入通路１３の分岐部位１９近傍に、絞り２１を設置することにより、排気管５内の排気ガス中の水素ガスや水蒸気が排気ガス導入通路１３へ拡散する断面積を制限している。
排気ガス導入通路１３への拡散量は、絞り２１の断面積を絞ると、比例的に減少するので、この絞り２１の設置により、前記の距離Ｌ１とＬ２も短くなり、水素濃度検出装置を小型化できる。
【００２８】
すなわち、本実施形態によれば、排気ガス導入通路１３には、排気管５との分岐部位に絞り２１を設けているので、水蒸気の拡散量が抑制され、排気管５と排気ガス導入通路１３との分岐部位１９から水素濃度検出手段１４までの距離を短く設定しても、水蒸気が到達する前に、検出室１５内部を結露が生じない温度に昇温させることが可能である。従って、より小型の水素濃度検出装置を構成することができる。
【００２９】
以上説明したように、本発明に係る水素濃度検出装置では、排気ガス導入通路分岐部位から水素濃度検出手段までの距離Ｘを、前記したようにＬ２＜Ｘ＜Ｌ１なる範囲に設定することが望ましいが、実際に製作・検討した例を以下に説明する。
〔検討例１〕
内径φ50mmの排気管から、内径φ25mmの排気ガス導入通路を分岐させ、排気ガス導入通路の終端に接触燃焼式の水素濃度検出手段を設置した。分岐部位から水素濃度検出手段までの距離Ｘを20、50、100 、200mm とした場合において、排気管に水素濃度5000ppm の排気ガスを流して、水素検出の応答時間（水素濃度の検出遅れ時間）を測定した。水素濃度検出手段が実際の水素濃度の90% 相当の信号を出力するのに要する時間は、表１に示す結果であり、20〜100mm において実用的な応答時間（10sec 以下）となった。この例においてＬ１は100mm である。
【００３０】
【表１】
2006155973.tif 000003
【００３１】
〔検討例２〕
また、上記構成の水素濃度検出装置において、水素濃度検出手段の替わりに超音波式湿度検出手段を設置して、距離Ｘを20、50、70、100mm とした場合において、排気管に40℃、100%RHの排気ガスを流して、湿度検出の応答時間（水蒸気到達時間）を測定した。結果は、表２に示す通りであり、50mm以下では、10sec 以内であり、排気ガス導入通路を設けたことによる水蒸気拡散時間の遅延効果がほとんど認められなかったが、70mmと100mm では応答時間が60sec 以上あり、水素濃度検出手段の検出室内部がヒータで暖機されるまで、水蒸気拡散を遅らせることが可能であった。この場合はＬ２が70mmとなり、距離Ｘは、70mm＜Ｘ＜100mm なる範囲に設定することが好ましい。
【００３２】
【表２】
2006155973.tif 000004
【００３３】
〔検討例３〕
上記構成の水素濃度検出装置において、排気ガス導入通路内にステンレス製の不織布状のメッシュを充填して第２実施形態とし、分岐部位から超音波式湿度検出手段までの距離を20、50、100mm として排気管に40℃、100%RHの排気ガスを流し、湿度検出の応答時間（水蒸気到達時間）を測定した。結果は、表３に示す通りであり、いずれの距離でも60sec 以上の応答時間となり、水素濃度検出手段の検出室内部がヒータで暖機されるまで、水蒸気拡散を遅らせることが可能であった。この場合はＬ２が長くとも20mm以下である。さらに超音波式湿度検出手段を水素濃度検出手段に戻して、水素検出の応答時間（水素濃度の検出遅れ時間）を測定した結果は、表１と同等だったので、この場合、距離Ｘは、20mm＜Ｘ＜100mm なる範囲に設定することが好ましい。
【００３４】
【表３】
2006155973.tif 000005
【００３５】
その他の場合も、排気管や排気ガス導入通路の内径や排気ガス温度等によりそれぞれにＬ１とＬ２とが存在するが、水蒸気は水素ガスよりも拡散速度が遅く、システム起動時には暖機されていない排気ガス導入通路に拡散した段階で冷却されて過飽和な水蒸気が凝集し、絶対湿度が低下する等の効果も加わるため、Ｌ２＜Ｌ１なる関係があり、それぞれの構成に適切な距離Ｘの範囲が存在する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る水素濃度検出装置を含む燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の第１実施形態を示す水素濃度検出装置の詳細構成図
【図３】（ａ）排気ガス導入通路分岐部位から水素濃度検出手段までの距離Ｘと応答時間との関係、および、（ｂ）距離Ｘと水蒸気到達時間との関係を示す図
【図４】本発明の第２実施形態を示す水素濃度検出装置の詳細構成図
【図５】本発明の第３実施形態を示す水素濃度検出装置の詳細構成図
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池ケース
２  燃料電池スタック
３  水素ガス供給管
４  空気供給管
５  排気管
６  水素ガス循環配管
７  循環水素ガス昇圧手段
８  窒素ガス排出弁
９  窒素ガス排出管
１０  水素濃度検出装置
１１  制御ユニット
１２  水素ガス供給遮断弁
１３  排気ガス導入通路
１４  水素濃度検出手段
１５  検出室
１６  水素濃度検出素子
１７  ヒータ
１８  フィルタ
１９  分岐部位
２０  金属メッシュ
２１  絞り
【図１】
2006155973.tif 000006
【図２】
2006155973.tif 000007
【図３】
2006155973.tif 000008
【図４】
2006155973.tif 000009
【図５】
2006155973.tif 000010