(57)【要約】【課題】燃料電池発電システムの水素ラインに酸素（空気）が流入する等の異常が生じたときに、係る異常の発生を早期に検知できるようにする。【解決手段】水素ラインの水素濃度を検出する水素センサ６０として、ヒーターで加熱されるセンサ素子６１と、該センサ素子６１を覆う防爆体６３とを備えたものを使用する。そして、前記ヒーターの通電を制御するヒーター回路６５ｂからヒーター電圧，ヒーター電流を測定し、該ヒーター電圧，ヒーター電流からヒーターの抵抗値を求め、更に、前記抵抗値からセンサ素子６１の内部温度を推定する。異常検知手段６８では、前記内部温度が所定温度を超える場合に、水素ラインに酸素（空気）が流入する異常が生じ、高温のセンサ素子６１を着火源として燃焼が発生しているものと判断する。【選択図】　図１
2004144564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒーターを内蔵する加熱型素子と、該加熱型素子を覆うように設けられ多数の通気孔を有する防爆体とを備え、
前記防爆体の内側の温度に基づいて被検ガスの異常を検知することを特徴とするガス検査装置。
【請求項２】
前記防爆体の内側の温度として、前記加熱型素子の内部温度を検出し、該内部温度に基づいて被検ガスの異常を検知することを特徴とする請求項１記載のガス検査装置。
【請求項３】
前記防爆体の内側の温度として、前記加熱型素子の外部温度を検出し、該外部温度に基づいて被検ガスの異常を検知することを特徴とする請求項１記載のガス検査装置。
【請求項４】
前記防爆体の内側の温度として、前記加熱型素子の内部温度、及び、前記加熱型素子の外部温度を検出し、該内部温度及び外部温度に基づいて被検ガスの異常を検知することを特徴とする請求項１記載のガス検査装置。
【請求項５】
前記外部温度が内部温度以上であるときに、被検ガスの異常を判定することを特徴とする請求項４記載のガス検査装置。
【請求項６】
前記外部温度として、前記加熱型素子の表面温度，前記加熱型素子と前記防爆体との間のガス温度，前記防爆体の内壁温度のうちの少なくとも１つを検出することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載のガス検査装置。
【請求項７】
前記加熱型素子が、被検ガス中の特定成分ガス濃度を検出するセンサ素子であり、該センサ素子の出力に基づいて特定成分ガス濃度を検出すると共に、前記防爆体の内側の温度に基づいて被検ガスの異常を検知することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のガス検査装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載のガス検査装置を備えた燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス検査装置及び燃料電池装置に関し、詳しくは、例えば水素ラインへの酸素（空気）の流入などの被検ガスの異常を検知する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被検ガス中の可燃ガス濃度を検出するガスセンサとして、例えば、特許文献１に開示されるものがあった。
【０００３】
このものは、ヒーターを内蔵するセンサ素子を覆うように、金網や焼結金属からなる防爆体を備えたものであり、例えば燃料電池装置で水素ラインへ酸素（空気）が流入するような異常が生じ、ヒーターで加熱され高温になっているセンサ素子が着火源となって、センサ内部でガス燃焼が発生した場合でも、前記防爆体が火炎伝播を防ぐフレームアレスター効果を有することで、センサ外部への火炎伝播を防ぐことができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−０６５７８３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のセンサでは、センサ外部への火炎伝播を防ぐことができるが、防爆体内ではガスが燃焼するから、燃料ガスが無駄に消費され、システム効率を悪化させるという問題があった。
【０００６】
また、センサ内部で燃焼が起きることは、システム上の異常状態であるにも関わらず、この異常状態を検知できないまま、システムの運転を継続させることは、安全上好ましくない。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、例えば水素ラインへ酸素（空気）が流入するような被検ガスの異常が生じたときに、係る異常の発生を早期に検知できるガス検査装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明に係るガス検査装置は、ヒーターを内蔵する加熱型素子と、該加熱型素子を覆うように設けられ多数の通気孔を有する防爆体とを備え、前記防爆体の内側の温度に基づいて被検ガスの異常を検知する構成とした。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によると、例えば、燃料電池装置における水素ラインに酸素（空気）が流入する異常が発生すると、係るラインに設けられたガス検査装置の加熱型素子を着火源としてガスが燃焼し、該燃焼によって防爆体の内側の温度が上昇するので、防爆体の内側の温度に基づいて被検ガスの異常が検知される。
【００１０】
尚、加熱型素子を着火源としてガスが燃焼しても、防爆体によって防爆体の外側への火炎伝播が防がれる。
【００１１】
また、空気ライン（酸素ライン）に水素が混入する異常についても同様にして検知可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００１３】
尚、本実施形態において図面に示されるガス検査装置は、現実の寸法を表すものではなく、構成及び作用を解り易く説明するためのものである。
【００１４】
図１，２は、本発明の第１の実施形態を示す。
【００１５】
図１に示すガス検査装置としての水素センサ６０は、被検ガスとしての水素が流れる配管３０ａ内にガスケット７０を挟んで取り付けられ、配管３０ａ内の水素濃度を検出するものである。
【００１６】
前記配管３０ａは、後述する燃料電池発電システムにおいて燃料電池本体に水素を供給する水素ラインを構成するものである。
【００１７】
前記水素センサ６０は、ヒーターを内蔵する固体電解質型のセンサ素子６１（加熱型素子）と、該センサ素子６１を覆う複数の通気孔を有する防爆体６３とを備え、前記火炎伝播防止のための防爆体６３を介して前記センサ素子６１が被検ガスと接触する構造である。
【００１８】
前記防爆体６３は、例えば、二重金網，多孔質セラミックス又は焼結金属から構成される。
【００１９】
前記センサ素子６１は、断熱保持部６２を挟んでセンサ本体６０ａに保持され、リード線６４を介してガス濃度検出装置６５と接続される。
【００２０】
前記ガス濃度検出装置６５は、ガス濃度検出機能及びセンサ素子加熱機能を有し、センサ素子６１からの検出出力に基づいて水素ライン中の水素濃度を検出するための濃度検出回路６５ａ、及び、センサ素子６１に内蔵されたヒーターへの通電を行ってセンサ素子６１を水素濃度検出に必要な温度（例えば６００℃〜９００℃）に加熱するヒーター回路６５ｂで構成される。
【００２１】
更に、本実施形態では、前記ヒーター回路６５ｂの状態からセンサ素子６１の内部温度を測定する素子内部温度計６６と、該素子内部温度計６６で測定されたセンサ素子６１の内部温度に基づいて被検ガスの異常を検知する異常検知手段６８とを設けてある。
【００２２】
ここで、前記ヒーター回路６５ｂ，素子内部温度計６６及び異常検知手段６８を、図２を参照して詳細に説明する。
【００２３】
前記センサ素子６１にはヒーター線６１ａが埋設されており、前記ヒーター回路６５ｂによる通電によって前記ヒーター線６１ａが発熱することで、センサ素子６１を水素濃度の検出に必要な高温（６００℃〜８５０℃）に加熱する。
【００２４】
一方、前記素子内部温度計６６は、前記ヒーター線６１ａの印加電圧を検出するヒーター電圧計６６ａ、及び、前記ヒーター線６１ａの電流を検出するヒーター電流計６６ｂを含んで構成され、前記電圧及び電流に基づいて前記ヒーター線６１ａの抵抗値を算出し、該抵抗値に基づいてセンサ素子６１の内部温度を推定する。
【００２５】
一般に知られるように、ヒーター線６１ａの温度が変われば、その電気抵抗が変化することから、この抵抗値を測定すれば温度を知ることができる。
【００２６】
そして、前記抵抗値は、ヒーター電圧とヒーター電流とから求められることは周知の通りであり、前記ヒーター電圧及びヒーター電流からヒーター線６１ａの抵抗値が求められ、該抵抗値からヒーター線６１ａの温度、換言すれば、センサ素子６１の内部温度を推定することができる。
【００２７】
そして、異常検知手段６８は、前記素子内部温度計６６で測定されたセンサ素子６１の内部温度に基づき水素ライン（被検ガス）の異常を判断し、その結果を燃料電池発電システム（燃料電池装置）の制御部に出力する。
【００２８】
前記制御部は、水素ライン（被検ガス）の異常が検知されたときに、水素ガスの供給停止やヒーター電源のＯＦＦなどのフェイルセーフを図り、センサ内部での燃焼を停止させ、無用な水素の燃焼によるシステム効率の低下を回避する。
【００２９】
ここで、前記異常検知手段６８における異常判断ロジックについて説明する。
【００３０】
例えば被検ガスである水素ガス中に空気（或いは酸素）が混入し、高温のセンサ素子６１が着火源となってセンサ素子６１の表面上で燃焼し始める異常状態が生じた場合、その分の燃焼熱エネルギーがセンサ素子６１の内部温度を高める方向に働く。
【００３１】
即ち、ヒーター回路６５ｂからのエネルギーに、燃焼熱エネルギーがセンサ素子６１に加わり、センサ素子６１の内部温度が上昇する。
【００３２】
よって、水素ガス中への空気（或いは酸素）の混入がなく、センサ素子６１の表面上での燃焼が発生しない被検ガスの正常状態におけるセンサ素子６１の内部温度（制御温度）から、所定温度以上に高くなったときには、水素ガス中への空気（或いは酸素）の混入により、センサ素子６１の表面上での燃焼が発生していると推定することができる。
【００３３】
そこで、前記異常検知手段６８では、前記素子内部温度計６６で測定されたセンサ素子６１の内部温度が所定温度以上になったときに、被検ガスの異常状態の発生を判断する。
【００３４】
上記のように、センサ素子６１の表面上でガスが燃焼している異常状態では、燃料（水素）が無駄に消費されることになるが、異常判定に基づいて水素の供給停止やヒーター電源をＯＦＦする措置を行うことで、燃焼が停止して無駄な水素の消費は抑えられる。
【００３５】
更に、燃焼が停止するまでの間における水素の消費量（燃焼量）は、ガス拡散抵抗が大きい防爆体６３によって比較的少量に抑えることができる。
【００３６】
また、防爆体６３は、フレームアレスター（消炎）効果を発揮するから、センサ素子６１の表面上でガスが燃焼しても、防爆体６３の外側への延焼を阻止できる。
【００３７】
ところで、センサ素子６１の外表面には、通常、触媒作用を有する電極（例えば白金電極）が形成され、水素ガス中への空気（或いは酸素）の混入量が燃焼範囲に達していない異常状態で、前記電極の触媒作用によって燃焼が発生する場合がある。
【００３８】
この場合も、前記触媒燃焼によってセンサ素子６１の内部温度が上昇することで、異常検知が可能であり、酸素（或いは空気）の混入濃度が燃焼範囲に達する前の触媒燃焼が発生する段階で、異常検知が行えることになる。
【００３９】
上記のように、本実施形態によると、水素燃料を用いる燃料電池装置のようなシステムにおいて、被検ガスの異常（水素中への酸素混入）を応答良く検知することができる。
【００４０】
また、水素の燃焼によるセンサ素子内部温度の上昇を、ヒーターの抵抗値に基づいて判断するから、温度センサを設ける構成に対してコストアップを招くことなく異常検知機能を付加できる。
【００４１】
そして、異常検知に基づいて、水素の供給停止やヒーター電源をＯＦＦするなどの措置を施すようにすることで、水素の無駄な消費を抑え、かつ、センサ内での燃焼を速やかに停止させて安全な運転を図れる。
【００４２】
尚、上記実施形態では、燃料電池発電システムの水素ラインに配設される水素センサ６０に、異常検知機能を持たせるようにしたが、酸素（空気）ラインに配設される酸素センサの場合も、図１，２に示されるように、ヒーター内蔵のセンサ素子，防爆体からなる構成であれば、同様な異常検知機能を持たせることが可能である。
【００４３】
酸素センサの場合も、センサ素子がヒーターを内蔵する加熱型素子であれば、酸素（空気）中に水素が混入する異常が生じると、センサ素子の熱で燃焼が生じ、センサ素子の内部温度を上昇させることになり、更に、水素の混入量が燃焼に至らない範囲であっても、センサ素子の電極における触媒反応によって燃焼する濃度に達した時点で、異常を検知することが可能である。
【００４４】
例えば、空気中での水素の燃焼範囲は４〜７５％水素濃度であるが、空気中に水素が混入する異常状態の場合、水素濃度が４％に達しなくても前記触媒反応による燃焼が生じることで、より早い段階で異常を検知することができる。
【００４５】
次に、本発明の第２の実施形態を、図３，４に基づいて説明する。
【００４６】
尚、第１の実施形態と同等の構成部位には同一符号を付けて詳細な説明を省略する。
【００４７】
第１の実施形態では、被検ガスの異常による燃焼（触媒燃焼）の発生による防爆体６３の内側での温度上昇を、センサ素子６１の内部温度の上昇として検知する構成としたが、第２の実施形態では、センサ素子６１の外部温度を温度センサで測定する構成とした点が異なる。
【００４８】
即ち、図３に示すように、センサ素子６１の外部温度を測定するための温度センサ６１ｂと、この温度センサ６１ｂの検出出力に基づいて前記外部温度を測定する素子外部温度計６７と、この素子外部温度計６７の測定結果に基づいて被検ガスの異常判断を行う異常検知手段６８とが設けられる。
【００４９】
具体的には、図４に示すように、前記温度センサ６１ｂは、センサ素子６１の外部温度としてセンサ素子６１表面温度を測定するための温度センサであり、水素中に酸素（或いは空気）が混入する異常が生じ、触媒燃焼或いは高温のセンサ素子６１を着火源とする燃焼が生じると、前記温度センサ６１ｂで検出されるセンサ素子６１の表面温度が、被検ガスが正常で燃焼が発生していないときに比べて上昇する。
【００５０】
従って、第２の実施形態においても被検ガスの異常を、温度センサ６１ｂで検出されるセンサ素子外部温度（素子表面温度）の上昇に基づいて検知できる。
【００５１】
また、特に第２の実施形態では、異常燃焼が生じる燃焼ゾーンに近い素子外部の温度を温度センサによって直接検出するから、異常判断を正確に行え、異常検知の信頼性がより高まる。
【００５２】
尚、センサ素子６１の表面温度を検出する温度センサ６１ｂの代わりに、センサ素子６１と防爆体６３とで挟まれる空間内のガス温度を検出する温度センサ６１ｃ、或いは、防爆体６３の内壁温度を検出する温度センサ６１ｄを設け、素子外部温度として、前記ガス温度，防爆体６３の内壁温度を検出させる構成としても同様の作用・効果を得られる。
【００５３】
更に、第２の実施形態において、水素センサ６０を酸素センサに置き換え、該酸素センサのセンサ素子の表面温度，センサ素子と防爆体とで挟まれる空間内のガス温度，防爆体の内壁温度のいずれかを検出して、燃料電池発電システムの空気ライン（空気又は酸素）に対して水素が混入する異常を検知させることができることは、第１の実施形態と同様である。
【００５４】
次に、図５に基づいて本発明の第３の実施形態を説明する。
【００５５】
尚、図５において、第１の実施形態及び第２の実施形態と同等の構成部位には同一符号を付けて説明を省略する。
【００５６】
図５において、異常検知手段６８には、第１の実施形態で説明したセンサ素子６１の内部温度をヒーター線６１ａの抵抗値に基づいて測定する素子内部温度計６６と、第２の実施形態で説明したセンサ素子６１の外部温度を測定する素子外部温度計６７とが接続され、異常検知手段６８は、両温度計６６，６７の測定結果に基づいて被検ガスの異常を検知する。
【００５７】
上記構成によると、第１，第２の実施形態と同様に、センサ素子の内部温度及び／又はセンサ素子の外部温度の異常上昇に基づいて、被検ガスの異常を検知できる一方、内部温度と外部温度との比較に基づいて異常検知を行わせることができる。
【００５８】
即ち、システムの起動に伴い、センサ素子６１が常温からヒーター線６１ａの加熱により所定の温度（約８００℃）で安定するまでの間は、被検ガスが正常であってもセンサ素子温度は変化することになるが、この間、被検ガスが正常であれば、ヒーター線６１ａによってセンサ素子６１の内部が加熱されその熱で素子外部が加熱されるから、常に、内部温度＞外部温度の関係となる。
【００５９】
従って、内部温度と外部温度との差或いは比をシステム起動時から監視し、内部温度＞外部温度の関係が崩れ、内部温度≦外部温度となったときに、ガス燃焼によって外部温度が高くなったと判断でき、被検ガスの異常を検知できる。
【００６０】
上記のように、センサ素子６１の内部温度と外部温度との比較に基づいて異常検知を行わせる構成であれば、ガス濃度検出装置６５を起動直後、即ち、燃料電池発電システムの起動直後から異常検知が可能となる。
【００６１】
尚、上記第３の実施形態において、センサ素子６１の外部温度として、センサ素子６１の表面温度，センサ素子と防爆体とで挟まれる空間内のガス温度，防爆体の内壁温度のいずれかを検出すれば良い。
【００６２】
また、第３の実施形態においても、水素センサを同様なセンサ構造の酸素センサに置き換えることができる。
【００６３】
図６は、上記第１〜第３の実施形態に示した水素センサ（酸素センサ）が適用される燃料電池発電システム（燃料電池装置）の概略構成を示す。
【００６４】
図６において、燃料電池本体１０は、イオン伝導性高分子膜１１、及び、このイオン伝導性高分子膜１１の両面に形成されたガス拡散層を兼ねた電極１２ａ，１３ａからなり、酸化ガス極１２側には空気２０（或いは酸素）が、燃料極１３側には水素３０が供給される。
【００６５】
前記燃料電池本体１１では、水素イオン（或いは酸素イオン）伝導と電極反応とにより起電力が生じ、外部の電気負荷４０によって電力が取り出される。
【００６６】
ここで、空気ライン２０ａ上の燃料電池本体１１のガス入口側及び出口側のそれぞれに、空気ライン２０ａ内の酸素濃度を検出する酸素センサ５０Ａ，５０Ｂが介装される。
【００６７】
前記酸素センサ５０Ａ，５０Ｂは、上記実施形態に示したように、ヒーターを内蔵したセンサ素子と防爆体とからなり、防爆体の内側の温度（素子内部温度及び／又は素子外部温度）に基づいて被検ガスの異常を検知する機能を有したものである。
【００６８】
そして、前記酸素センサ５０Ａ，５０Ｂにより空気ライン２０ａでの異常発生が検知されると、ガス供給停止等の安全作動が実行される。
【００６９】
また、水素ライン３０ａ上の燃料電池本体１１のガス入口側及び出口側のそれぞれに、水素ライン３０ａ内の水素濃度を検出する水素センサ６０Ａ，６０Ｂが介装される。
【００７０】
前記水素センサ６０Ａ，６０Ｂも、上記実施形態に示したように、ヒーターを内蔵したセンサ素子と防爆体とからなり、防爆体の内側の温度（素子内部温度及び／又は素子外部温度）に基づいて被検ガスの異常を検知する機能を有したものである。
【００７１】
そして、前記水素センサ６０Ａ，６０Ｂにより水素ライン３０ａでの異常発生が検知されると、ガス供給停止等の安全作動が実行される。
【００７２】
尚、前記酸素センサ，水素センサは、システムに必要な部位や数量に応じて設置すればよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、水素センサ或いは酸素センサに被検ガスの異常検知機能を付加した例を説明したが、濃度検出機能が無い被検ガス異常検知機能のみのガス検査装置を構成し、上記の燃料電池発電システムに適用することができる。
【００７４】
前記濃度検出機能が無い被検ガス異常検知機能のみのガス検査装置は、濃度検出機能がない素子にヒーターを内蔵させて加熱型素子を構成すると共に、該素子を防爆体で覆い、ヒーターによる加熱を行わせつつ、素子の内部温度及び／又は素子の外部温度を検出させ、該検出温度から被検ガスの異常を検知するものである。
【００７５】
上記のように、濃度検出機能が無い被検ガス異常検知機能のみのガス検査装置であれば、コストの削減ができ、また、その分設置箇所を増やして異常検知を多くの箇所で行わせることが可能となる。
【００７６】
また、必要に応じて濃度検出機能と被検ガス異常検知機能とを併せ持つガス検査装置と、被検ガス異常検知機能のみのガス検査装置とを設置場所によって使い分けるようにしても良い。
【００７７】
更に、上記実施形態では、燃料電池装置の水素ライン又は酸素（空気）ラインで、被検ガスの異常を検知させる構成としたが、被検出ガスの異常が、加熱型素子を着火源として燃焼することになる異常であれば、上記実施形態に示したガス検査装置を適用することができ、燃料電池装置のみに適用が限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態におけるガス検査装置のシステムブロック図。
【図２】第１の実施形態におけるガス検査装置のシステムブロック図。
【図３】第２の実施形態におけるガス検査装置のシステムブロック図。
【図４】第２の実施形態におけるガス検査装置のシステムブロック図。
【図５】第３の実施形態におけるガス検査装置のシステムブロック図。
【図６】第１〜第３の実施形態のガス検査装置が適用される燃料電池発電システムを示す構成概略図。
【符号の説明】
６０…水素センサ
６１…センサ素子
６１ａ…ヒーター線
６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ…素子外部温度センサ
６５…ガス濃度検出装置
６５ａ…濃度検出回路
６５ｂ…ヒーター回路
６６…素子内部温度計
６６ａ…ヒーター電圧計
６６ｂ…ヒーター電流計
６７…素子外部温度計
６８…異常検知手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004144564.tif 000006
【図５】
2004144564.tif 000007
【図６】
2004144564.tif 000008