(57)【要約】【課題】  構成の大型化を招くことなく、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課題とする。【解決手段】  排気ガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段８の本体部が、燃料電池スタック１から排出された排気ガスを外部に導出する排気主流路９に配設され、排気ガスが導入される水素濃度検出面８ａが、分岐口１７を介して排気主流路９から分岐流出した排出ガスが流通する排気副流路１０に配設され、排気副流路１０を流通する排気ガスの温度が排気主流路９を流通する排気ガスの温度よりも低く設定され、水素濃度検出手段８は、排気主流路９を流通する排気ガスの熱で加温されて構成される。【選択図】  図１
2005347006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出された排気ガスを外部に導出する排気主流路と、
前記排気主流路との間に分岐口が形成され、前記分岐口を介して前記排気主流路から分流した排気ガスを外部に導出する排気副流路と、
本体部が前記排気主流路に配設され、排気ガスが導入される検出面が前記分岐口の下流側の前記排気副流路に面して配設され、前記排気副流路を流通する排気ガス中の水素濃度を検出し、前記排気主流路を流通する排気ガスの熱で加温される水素濃度検出手段と
を有す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】
前記排気副流路は、前記排気主流路を取り囲むように形成されて、前記排気主流路と前記排気副流路とは二重管を構成してなる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用水素濃度検出装置。
【請求項３】
前記排気主流路と前記排気副流路との間には、断熱材が設置されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用水素濃度検出装置。
【請求項４】
前記排気副流路に、前記排気副流路を流通する排気ガスを冷却する冷却手段を設けた
ことを特徴とする請求項１，２，及び３のいずれ１項に記載の燃料電池用水素濃度検出装置。
【請求項５】
前記冷却手段は、前記燃料電池を収納する燃料電池ケース内から前記排気副流路に導入される換気排気である
ことを特徴とする請求項４に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、燃料電池の排気ガスの流路上で、排気ガス中の水素を検出する燃料電池用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、固体高分子電解質をアノード側セパレータとカソード側セパレータで挟み込んで構成されるセルを積層した、スタック構造から成り、アノードに燃料として水素ガスを、カソードに酸化ガスとして空気を供給し、触媒作用によりアノードで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。
【０００３】
このような燃料電池を応用した、燃料電池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は、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る。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ガス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。このような水素濃度検出装置としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
上記文献に記載された構成では、図３に示すように、燃料電池スタック１０１のアノード１０２に導入された水素ガスは固体高分子電解質膜１０３を水素イオンとなってカソード１０４へ移動し、空気供給管１１２から供給されたカソード中の空気（酸素）と反応して、起電力を発生する。反応後のカソードガスは排気ガスとして排気管１０５を経由して外部に排気される。
【０００５】
一方、アノードで未反応の水素ガスは、水素ガス供給管１０６を介して水素ガス循環手段１１１に循環されて再びアノードへ導入される。排気管１０５には、水素濃度検出手段１０７が配設され排気中の水素濃度を監視している。排気中の水素濃度が設定値を超えた場合は、制御ユニット１０９から出力された指令に基づいて、水素ガス供給管１０６に設置した水素ガス遮断手段１１０を用いて、水素ガスの燃料電池スタック１０１への供給を停止し、燃料電池システムの運転を停止する。
【０００６】
また、カソード側排気中の水素ガス濃度を監視する水素濃度検出装置としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献２参照）。この文献２に記載された技術では、燃料電池のカソードから排出される空気オフガスが流通する空気排出路に水素センサを設置し、燃料電池のアノードから排出される水素オフガスを希釈装置に導入し、希釈装置で希釈してから水素センサよりも上流の空気排出路に戻し、水素センサで空気排出路の水素濃度を検知している。水素センサは、空気排出路の外周面上に固定され、水素を検知する検知部が空気排出路内に突出するように配置されている。
【特許文献１】特開平０６−２２３８５０号公報
【特許文献２】特開２００３−３０２３６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上説明したように、燃料電池におけるカソード排気中における水素濃度を検出する従来の水素濃度検出手段においては、以下に説明するような問題があった。
【０００８】
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を反応させて電力を得るため、カソード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。このような温度と湿度状態の排気ガスは、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、排気中の水蒸気の一部が配管内で凝集して結露水となり、排気口から水蒸気とともに排出される。このため、排気管内面は常時結露水が発生した状態となる。
【０００９】
一方、水素濃度検出手段はその原理上内部に水素ガスを取り込めないと水素濃度を検出することができない。このため、通常ガス導入口には通気性を確保した、撥水膜が設置されている。しかし、上記した従来技術のように、水素濃度検出手段が排気管に外部から挿入された状態で設置されている場合には、水素濃度検出手段の温度は排気ガス温度より数℃程度温度が低い状態となる。したがって、排気ガスは相対湿度１００％ＲＨであるため、排気ガスが水素濃度検出手段に導入されて水素濃度検出手段の内壁に接触して冷却されると、排気ガス中の水蒸気が凝集して結露水が発生することになる。この結露水が水素濃度検出機能部を被うと、検出機能が損なわれて、水素濃度検出手段は水素濃度を検出できなくなるという問題がある。
【００１０】
この問題を回避するために、水素濃度検出手段の内部に電気ヒータ等を付加し、この電気ヒータにより水素濃度検出手段を排気ガス温度よりも暖めることが考えられる。しかし、このような対策では、燃料電池システムを停止した後は電気ヒータも停止してしまうため、排気管内部に残留した水蒸気により結露が発生してしまう。このため、システムの再始動時に電気ヒータが昇温するまでは、水素濃度を検出することができなくなるといった問題が残ることになる。
【００１１】
さらに、電気ヒータの電力を高めて、水素濃度検出手段がシステム停止後も余熱で、排気ガスよりも早く冷えなくしたり、水素濃度検出手段を排気管から分離した排気副流路に設置し、遮断バルブにより水素濃度検出手段に導入する排気ガス量を制限する等の対策も考えられる。しかし、このような対策では、システム内の消費電力が増大したり、構成が大型化するといった問題を招くことになる。
【００１２】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の大型化を招くことなく、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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料電池から排出された排気ガスを外部に導出する排気主流路と、前記排気主流路との間に分岐口が形成され、前記分岐口を介して前記排気主流路から分流した排気ガスを外部に導出する排気副流路と、本体部が前記排気主流路に配設され、排気ガスが導入される検出面が前記分岐口の下流側の前記排気副流路に面して配設され、前記排気副流路を流通する排気ガス中の水素濃度を検出し、前記排気主流路を流通する排気ガスの熱で加温される水素濃度検出手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、水素濃度検出手段の本体部の温度が、排気副流路に導入される排気ガスの温度よりも高い温度に維持することが可能となり、水素濃度検出面の排気副流路に接した部位の結露を防止することができる。これにより、構成の大型化を招くことなく、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が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池用水素濃度検出装置の構成を示す図である。図１において、燃料電池スタック１は燃料電池ケース２内に設置され、カソード側には空気配管３を経由して空気等の酸化ガスが導入され、アノード側には燃料配管４を経由して水素ガスが導入される。アノード側に導入された水素ガスは、燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質を水素イオンとなってカソード側へ移動して空気中の酸素ガスと反応して電力を生み出し、反応ガスはカソード内で水蒸気となって排気管５から燃料電池外部へ排出される。一方、未反応の水素ガスは、水素循環配管６を経由して水素ガス循環手段１６に流入し、水素ガス循環手段１６を介して燃料配管４へ戻り、再利用される。
【００１７】
水素濃度検出装置７は、燃料電池スタック１のカソードから排出されたカソードガスを外部に排出する排気管５に配設された水素濃度検出手段８と、排気主流路９、ならびに排気主流路９から分岐する排気副流路１０の基本構成からなる。水素濃度検出手段８は、排気主流路９を流通する排気ガスの熱で加温されるように排気主流路９に埋め込まれ、排気ガスを水素濃度検出手段８に導入する水素濃度検出面８ａが、排気副流路１０を流通する排気ガスに接するように配置されている。
【００１８】
また、水素濃度検出装置７は、図１ならびに図２（ａ）の断面図に示すように、排気副流路１０が排気主流路９を囲む二重管構造が採用され、水素濃度検出手段８の設置位置よりも上流側の排気主流路９と排気副流路１０との間には、排気主流路９を流れる排気ガスを排気副流路１０に分岐して導入する分岐口１７が形成されている。排気副流路１０を流れる排気ガスは、分岐口１７から下流へ流れるにしたがって排気副流路１０に接する外気により放熱冷却され、温度が低下する。
【００１９】
これに対して、排気主流路９を流れる排気ガスは、排気主流路９が排気副流路１０で覆われて外気に直接接することはなく、かつ周囲の排気副流路１０を流通する排気ガスの熱で保温されるので、排気副流路１０を流れる排気ガスの温度よりも高い温度に維持される。
【００２０】
これにより、排気主流路９に設置された水素濃度検出手段８は、排気副流路１０を流れる排気ガスよりも高い温度に維持され、排気副流路１０に面した水素濃度検出面８ａの結露発生が防止される。また、内側の排気主流路９と外側の排気副流路１０との間に断熱材１１を設置することで、排気主流路９を流れる排気ガスの保温性が高まり、水素濃度検出手段８はより効果的に保温され、排気副流路１０を流れる排気ガスによる結露が防止される。さらに、燃料電池システムの停止時においても、排気主流路９に設置された水素濃度検出手段８は、排気副流路１０よりも冷却が遅くなるため、排気副流路１０の配管壁に先に結露が発生し、水素濃度検出手段８への結露を防止することができる。
【００２１】
ここで、燃料電池スタック１の排気出口から、水素濃度検出装置７の分岐口１７までの距離Ｌと、分岐口１７から水素濃度検出手段８までの距離Ｌ’は、以下に説明する範囲とすることが望ましい。
【００２２】
通常、固体高分子電解質膜を採用した燃料電池からの排気温度は電解質膜の耐熱性から１００℃以下に制御されている。また、排気ガスは、内径φ２０〜５０ｍｍ程度の太さの排気管の内部を流量５０〜６０００ＮＬ／ｍｉｎ程度の流速で流れる。この時、排気ガスの温度は、排気管出口に近づくほど冷却されて低下するが、排気管１ｍあたり、２０〜４０℃で温度が低下する。
【００２３】
一方、水素濃度検出手段８は検出用の電子回路を内蔵しており、その耐熱性の観点から６０℃以下の環境温度で使用することが望ましい。したがって、水素濃度検出手段８は、上記した排気ガスの温度降下率から鑑みて、燃料電池スタック１の排気出口から２ｍ以上離して設置することが望ましい。
【００２４】
また、排気副流路１０を流れる排気ガスは、水素濃度検出手段８の設置位置に到達するまでに、水素濃度検出手段８より低い温度に冷却されていることが結露防止の観点から必要である。しかし、水素濃度検出手段８は、排気主流路９を流通する排気ガスの熱で加温されているものの、排気主流路９の排気ガスの温度と同温度まで加温されることはない。これは、排気副流路１０を流通する排気ガスの水素濃度を検出するため、水素濃度検出面８ａが排気副流路１０を流通する排気ガスに接しており、その部位から排気副流路１０を流通する排気ガスに放熱され、水素濃度検出手段８が排気主流路９を流通する排気ガスの温度よりも低い温度状態となるからである。したがって、水素濃度検出手段８の結露を有効に防止するためには、水素濃度検出手段８の設置位置を、排気副流路１０を流通する排気ガスの温度が排気主流路９を流通する排気ガスの温度よりも、３℃程度以上低くなる位置に設置することが望ましい。
【００２５】
排気副流路１０を流通する排気ガスが上述した排気ガスの温度降下率で温度降下すると、内管の排気主流路９を流通する排気ガスがほとんど温度降下しない最良の場合でも、分岐口１７から水素濃度検出手段８までの距離Ｌ’を１５ｃｍ以上確保することが望ましい。また、排気管５の全長は、燃料電池システムを例えば車両に適用する場合には、５ｍ以下であることが望ましい。以上説明した観点から、燃料電池スタック１の排出出口から分岐口１７までの距離Ｌと、分岐口１７から水素濃度検出手段８までの距離Ｌ’は、
（数１）
２０００＜Ｌ、１５０＜Ｌ’、Ｌ＋Ｌ’＜５０００  （ｍｍ）
の範囲とすることが望ましい。
【００２６】
次に、排気副流路１０の断面形状は、図２（ａ）に示す二重管の形状を採用する場合は、排気副流路１０を流通する排気ガスの温度低下により発生する結露水の排水性を良好に保つため、内側の排気主流路９の外壁から２ｍｍ以上の間隔Ｗを確保することが望ましい。また、排気副流路１０を流通する排気ガスの温度を排気主流路９のそれよりも早く低下させ、かつ水素濃度検出手段８を加温するために排気主流路９を流通する排気ガスの流量をできるだけ多く確保することが望ましいことから、排気副流路１０を流れる排気ガスの流量は、なるべく少なくすることが望ましい。
【００２７】
逆に、排気副流路１０を流通する排気ガス中の水素濃度を検出して、排気主流路９を流通する排気ガスの水素濃度を監視する時に、水素濃度の検出時間の遅れを少なくするためには、以下の観点から、排気副流路１０を流通する排気ガスの流量は排気主流路９を流通する排気ガスの流量の３０％程度を確保すれば十分である。すなわち、排気主流路９の断面積をＳ１とし、排気副流路１０の断面積をＳ２とすると、両者の比Ｓ２／Ｓ１は、上記した間隔Ｗの最低用件２ｍｍ程度に対して、排気主流路９の内径が小さいほうが大きく、例えば排気主流路９の内径がφ２０ｍｍ程度の場合ではＳ２／Ｓ１は０．３となる。
【００２８】
これにより、排気副流路１０の排気流量を排気主流路９の排気流量の３０％以上に設定すれば、実用上の排気主流路９の配管内径（例えばφ２０〜５０ｍｍ）において、排気副流路１０を流通する排気ガスの流速と排気主流路９を流通する排気ガスの流速を同一にすることが可能となり、排気主流路９を流通する排気ガスの水素濃度を時間的遅れなしに検出することができる。
【００２９】
燃料電池システムにおいては、排気ガス中に大量の水素ガスが漏れないように設計されており、外的な要因（例えば車両の衝突等）により、大量の水素漏れが想定される場合は、加速度センサや各配管の圧力を検出してシステムを停止させる方法が採用されている。
【００３０】
一方、水素濃度検出装置７でなければ検出できない微量の水素ガス漏れの原因は、燃料電池の電解質膜の乾燥による水素透過や、電解質膜の欠陥による水素漏れが主である。燃料電池スタック１が数百個程度のセルからなる積層体であり、初期段階においては数個のセルから水素漏れが発生することを想定すると、排気ガス中の水素濃度は１％未満である場合が多い。したがって、漏れた水素の濃度は、可燃限界域未満であるため、燃料電池スタック１の劣化や大量水素漏れに至る故障を防止するためには、水素濃度の検出遅れは３０ｓｅｃ程度以内であれば、実用性に問題はない。
【００３１】
この場合に、排気主流路９を流通する排気ガスの流速が最も遅くなる、排気主流路９の内径がφ５０ｍｍ程度、かつ排気主流路９を流通する排気ガスの流量が５０ＮＬ／ｍｉｎ程度の場合には、排気副流路１０の断面積Ｓ２を水つまりを防止する最低限だけ確保した場合に、排気副流路１０を流通する排気ガスの流量は排気主流路９のそれの０．５％程度以上であることが望ましい。
【００３２】
以上説明した観点から、排気副流路１０を流通する排気ガスの流量を、排気主流路９のそれの０．５〜３０％程度の範囲に設定することが本発明の水素濃度検出装置の用途上、望ましい。さらに、排気主流路９と排気副流路１０の間の断熱材１１を厚くして、排気主流路９を流通する排気ガスの保温性を高めることにより、排気主流路９と排気副流路１０とを図２（ａ）に示すように二重管構造とせず、同図（ｂ）に示すように、排気主流路９と並行して排気副流路１０が配置された平行管構造とすることも可能である。この場合には、排気副流路１０の断面積を小さく設定して、排気副流路１０を流通する排気ガスの流速を速く保ち、水素濃度検出遅れを小さくすることも可能である。
【００３３】
また、図１に示すように、水素濃度検出手段８よりも上流側の排気副流路１０に、放熱フィンや不織布状に成形した金属ワイヤーで構成された冷却手段１２を設けることで、排気副流路１０を流通する排気ガスの温度を有効に低下させることが可能となる。この冷却手段１２は、システムの始動時に排気主流路９を流通する排気ガスと水素濃度検出手段８が昇温中に、排気副流路１０を流通する排気ガスを冷却することにより水素濃度検出面８ａ付近の排気ガスの温度上昇を、排気主流路９を流通する排気ガスの温度上昇に比べて遅らせるため、特にシステムの始動時において、水素濃度検出手段８に結露が発生するのを有効に防止することができる。
【００３４】
さらに、燃料電池スタック１の配線材料が高湿度に長時間曝されないように、燃料電池ケース２内は、換気導入管１５を介して燃料電池ケース２に取り付けられた換気送風機１４により空気喚起されている。この換気を利用して、燃料電池ケース２と排気副流路１０との間を連結する配管１３を介して燃料電池ケース２の喚起排気を排気副流路１０へ導入することにより、排気副流路１０を流通する排気の温度や湿度を低下させることができる。
【００３５】
すなわち、システムの始動時においては、まず排気ガスの温度が上昇し始めるが、燃料電池ケース２からの喚起排気の温度は外気温とほぼ同じとなる。これにより、換気排気を上記の冷却手段１２として機能させ、この換気排気を排気副流路１０を流通する排気に混合されることで排気副流路１０を流通する排気ガスの温度が上昇することを抑制し、排気主流路９を流通する排気ガスの熱で水素濃度検出手段８の温度が上昇するまで、温度の高い排気ガスが水素濃度検出面８ａに達するのを防止することができる。
【００３６】
また、システムの暖機が終了した後は、喚起排気は排気温度に近くなっており、排気副流路１０を流通する排気ガスと混合されることにより、排気副流路１０を流通する排気ガスの相対湿度を低下させ、排気副流路１０での結露を発生しにくくさせる効果がある。このためには、換気排気の流量は、排気副流路１０を流通する排気ガスの流量の２０％以上を確保することが望ましい。
【００３７】
以上説明したように、本発明に係る上記実施例１においては、分岐口１７を介して排気主流路９から分岐した排気副流路１０に排気ガスを導入し、排気副流路１０に面した水素濃度検出手段８の水素濃度検出面８ａから排気ガスを取り入れて排気ガス中の水素濃度を測定し、水素濃度検出手段８の本体は排気主流路９を流通する排気ガスの熱で加温されるように、水素濃度検出手段８を配設したので、水素濃度検出手段８本体の温度が、排気副流路１０に導入される排気ガスの温度よりも高い温度に維持することが可能となり、水素濃度検出面８ａの排気副流路１０に接した部位の結露を防止することができる。これにより、ヒーターや遮断バルブ等の部品を水素濃度検出装置に付加することなく、水素濃度検出手段８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が可能となる。
【００３８】
また、排気主流路９と排気副流路１０を二重管構造とし、排気副流路１０を排気主流路９の外側に設置することで、水素濃度検出手段８に導入される排気ガスを効果的に冷却することができる。さらに、排気主流路９と排気副流路１０との間に断熱材を設置することで、排気主流路９を流通する排気ガスの冷却を防ぎ、水素濃度検出手段８を効率的に加温することができる。これにより、水素濃度検出手段８の結露をより一層防止することができる。
【００３９】
また、排気副流路１０に、排気副流路１０を流通する排気ガスを冷却する冷却手段１２を設けることで、水素濃度検出手段８に導入される排気ガスを効果的に冷却することができる。これにより、特にシステムの始動時において、水素濃度検出手段８に結露が発生するのを有効に防止することができる。
【００４０】
さらに、燃料電池ケース２内の換気排気を排気副流路１０に導入して、排気副流路１０を流通する排気ガスを冷却する冷却手段１２として機能させることで、システムの起動時に排気副流路１０に流通する排気ガスの温度を効果的に冷却して、水素濃度検出手段の結露を防止する一方、システムの暖機が終了後通常稼動モードに入った後は、配管１３を介して暖かい換気が燃料電池ケース２から排気副流路１０に導入されるので、排気副流路１０を流通する排気ガスの相対湿度を下げて、水素濃度検出手段８の結露を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池用水素濃度検出装置の構成を示す図である。
【図２】水素濃度検出装置の断面構成を示す図である。
【図３】従来の水素濃度検出装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池スタック
２…燃料電池ケース
３…空気配管
４…燃料配管
５…排気管
６…水素循環配管
７…水素濃度検出装置
８…水素濃度検出手段
８ａ…水素濃度検出面
９…排気主流路
１０…排気副流路
１１…断熱材
１２…冷却手段
１３…配管
１４…換気送風機
１５…換気導入管
１６…水素ガス循環手段
１７…分岐口
【図１】
2005347006.tif 000003
【図２】
2005347006.tif 000004
【図３】
2005347006.tif 000005