(57)【要約】【課題】  水素検知装置停止中に、水素検知器素子に吸着した水分等の雑ガスを脱離させ水素検知時の誤検知を防止する。【解決手段】  コントロールユニット２０は、水素センサ１７の停止時に、水素センサ１７近傍の温度Ｔを温度センサ１８、湿度Ｈを湿度センサ１９で検出する。次いでコントロールユニット２０は、温度Ｔまたは湿度Ｈと、水素センサ１７の停止時間に基づいて、水素供給の要否、及び水素供給時間を決定する。次いで、コントロールユニット２０は、窒素パージ弁１１を水素供給時間だけ開いて、水素センサ１７へ水素を供給し、水素センサ１７に吸着した雑ガスを水素燃焼の熱により脱離させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触燃焼式の水素検知素子を備えた水素検知装置であって、
前記水素検知素子に水素を検知させる前に、前記水素検知素子に水素を供給し、前記水素検知素子に吸着した水分を含む雑ガスを水素燃焼により脱離させることを特徴とする水素検知装置。
【請求項２】
前記水素検知素子に水素を供給する水素供給時間の長さは、水素検知装置停止時の前記水素検知素子近傍の湿度または温度、および停止時間に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の水素検知装置。
【請求項３】
前記水素検知素子を間歇的に起動させて水素を検知し、起動と起動との間の休止時間の長さは、前記水素検知素子近傍の湿度または温度に基づいて決定されることを特徴とする請求項２に記載の水素検知装置。
【請求項４】
前記水素検知素子近傍にて検知した湿度または温度、および水素検知素子の休止時間の長さに基づいて決定された基準水素濃度における水素供給時間の長さに対して、供給可能な水素濃度により水素供給時間の長さを変更することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の水素検知装置。
【請求項５】
前記水素検知素子の検出信号を温度補償する温度補償素子と、
前記水素検知素子及び前記温度補償素子を加熱するヒータと、を備え、
前記水素検知素子に水素を供給する際に、前記ヒータにより前記水素検知素子及び前記温度補償素子を加熱することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の水素検知装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の水素検知装置を備えた燃料電池システムであって、
前記水素検知素子に吸着した水分を含む雑ガスを水素燃焼により脱離させる水素が、燃料電池起動時にアノードから排出された水素であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の水素検知装置を備えた燃料電池システムであって、
燃料電池のカソードから反応済みの空気を排出する空気排出路と、
燃料電池のアノード排気をアノードへ循環させる水素循環路と、
該水素循環路から分岐して水素循環路内に蓄積した不純物を排出する不純物排出路と、  該不純物排出路と前記水素循環路との間を開閉するパージ弁と、
該パージ弁の下流を前記空気排出路に接続するパージ通路と、
を備え、
前記パージ弁を開いて前記水素検知装置へ水素を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素検知装置及びこれを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば固体高分子形燃料電池は、水素イオンを通す固体高分子電解質膜を、燃料極と空気極ではさみ形成されたセルを複数積層し構成されたスタックを備えており、燃料極には水素を空気極には酸化剤として空気が供給され、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空気極まで移動して、空気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型燃料電池等の燃料電池において、従来、例えば特許文献１に開示されているように、カソード側の排出系に除湿器を設け、カソードオフガス中の水分を除去することにより、カソード排気管に設けた水素検知装置の結露を防止した燃料電池システムが知られている。
【特許文献１】特開２００４−７１２５１号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記固体高分子形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、反応ガスは加湿された状態で供給され、また燃料電池の発電時には電気化学反応による反応生成水が生成されるため、燃料電池から排出されるオフガスは高湿潤状態となる。
【０００５】
しかしながら上記従来技術の例である、カソード側の排出系に除湿器を設け、水素検知装置の結露を防止した燃料電池システムにおいては、システムの停止時に高湿潤環境下に水素検知器がさらされるため、水素検知素子に水分等の雑ガスが吸着し、再起動時に水素が供給されると水素燃焼による素子の温度上昇により吸着した雑ガスが急激に離脱し、検知素子と補償素子との熱バランスが一時的に崩れ、水素検知装置の出力がオーバーシュートし、誤検知してしまうといった問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために、本発明は、接触燃焼式の水素検知素子を備えた水素検知装置であって、前記水素検知素子に水素を検知させる前に、前記水素検知素子に水素を供給し、前記水素検知素子に吸着した水分を含む雑ガスを水素燃焼により脱離させることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る水素検知装置によれば、水素検知を行う前に、水素検知器素子に吸着した水分を含む雑ガスを水素の燃焼により水素検知素子から脱離させることができ、これらの雑ガスによる水素検知器素子の熱アンバランスが原因となる出力オーバーシュートを防止し、水素検知の誤りを無くすことができるという効果がある。
【０００８】
また本発明に係る燃料電池システムによれば、水素検知器内部の素子に吸着した水分を含む雑ガスを素子から脱離させるための水素として、燃料電池のアノードから排出される水素を利用するので、従来無駄に排出された水素を有効に利用することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、本発明に係る水素検知装置及び燃料電池システムの実施例を図面を参照して説明する。以下の各実施例は、燃料電池システムのカソードオフガス中の水素を検知する水素検知装置に適用した実施例である。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明に係る水素検知装置及び燃料電池システムの実施例１を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１は、固体高分子型燃料電池である燃料電池２を備えている。燃料電池２は、固体高分子電解質膜３を燃料極４と空気極５で挟み込んで形成されたセルを複数積層させて構成した燃料電池スタックであるが図１では模式的に単セルのみを示している。燃料電池２の燃料として、高圧水素タンク等を用いた水素供給手段６から水素圧力調整弁７で圧力制御された水素が燃料極４に供給される。酸化剤としては、コンプレッサ１３で圧縮された空気が空気供給路１４を介して空気極５へ供給される。
【００１１】
燃料極３において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３を通過して空気極５まで移動し、酸素と電気化学反応を起こして発電して、生成水を形成する。燃料極４で未反応の水素はオフガスとして水素循環路９へ排出され、水素循環ポンプ１０により水素供給路８へ再び戻され再利用される。水素循環路９中に蓄積した窒素は、窒素パージ弁１１及びパージガス排出路１２を通り、空気排出路１５へ排出される。
【００１２】
反応済みの空気はオフガスとして空気排出路１５より大気中へ排出される。また空気排出路１５には空気流量制御弁１６が設置されており、燃料電池の要求負荷に応じて空気流量を制御することができる。
【００１３】
空気排出路１５には、空気排出路中の水素濃度を検出する水素センサ１７，水素センサ１７近傍の温度を検出する温度センサ１８，及び水素センサ１７近傍の湿度を検出する湿度センサ１９が設けられ、それぞれのセンサの検出信号は、コントロールユニット２０に接続されている。
【００１４】
水素センサ１７は、周知の接触燃焼式の水素検知素子を備えた水素センサである。この水素検知素子は、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するものである。検出素子の表面に白金等の触媒を設け、水素燃焼による発熱で温度上昇した検出素子と雰囲気温度下の温度補償素子との間に電気抵抗の差が生じる。この抵抗差をブリッジ回路等で電圧として検出している。
【００１５】
コントロールユニット２０は、燃料供給手段７，水素循環ポンプ１０，窒素パージ弁１１，コンプレッサ１３及び空気流量制御弁１６を制御して、燃料電池２に水素及び空気を供給して発電させる制御を行う。またコントロールユニット２０は、温度センサ１８及び湿度センサ１９の検出値の基づいて、水素センサ１７に水素を供給して、水素センサ１７の検出素子に吸着した雑ガスの脱離制御を行う。
【００１６】
水素センサ１７は、高湿潤なカソードオフガスが流れる空気排出路１５内に設置されているので、車両停止時には水素センサ１７は高湿度環境下にさらされ、水素センサ１７の素子に水分を含む雑ガスが吸着する。
【００１７】
図２は水素検知器を一定期間停止させた後に、水素検知器を再起動させた状態で一定濃度の水素を初めて供給した場合の水素検知器出力の一例を示した図である。停止期間中に水素検知素子に水分を含む雑ガスが吸着し、起動後初めて水素が供給されると、水素検知素子にて水素燃焼が起こり、素子に付着していた水分を含む雑ガスが急激に脱離し出力がオーバーシュートを発生させる。このオーバーシュート期間が水素検知器素子に吸着した水分を含む雑ガスを脱離させるのに必要な水素燃焼時間、言い換えれば必要水素供給時間を示している。
【００１８】
このとき車両停止直後の水素センサ１７近傍の温度Ｔ、または湿度Ｈ、および車両停止時間ｔと、図３に示した基準水素濃度にて予め求められた、水素センサ素子に吸着した水分を含む雑ガスを脱離させるのに必要な水素供給時間マップから決定される時間だけ、窒素パージ弁１１を開とし水素を水素センサ１７に供給することで、水素センサ１７の素子に吸着した水分を含む雑ガスを脱離させ、出力誤検知を防止することができる。
【００１９】
また供給できる水素濃度が異なる場合には、図３に示した必要水素供給時間マップから決定された必要水素供給時間に対し、図４に示した供給可能水素濃度における必要水素供給時間補正係数マップから決定したで補正係数をかけることにより、供給可能水素濃度による適正な必要水素供給時間を決定することができる。なお、図３に示した必要水素供給時間は水素センサ出力をマスキングしても構わない。
【００２０】
次に、図５のフローチャートにより、実施例１における水素検知装置の制御方法を説明する。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、水素センサ停止時の水素センサ１７近傍の温度または湿度を温度センサ１８，湿度センサ１９からコントロールユニット２０へ読み込む。次いでＳ１２で、水素センサの停止時間を読み込む。次いでＳ１４で、図３に示した必要水素供給マップを参照して、水素センサ１７へ水素供給をする必要があるか否かを判定する。Ｓ１４で水素供給が必要と判定すれば、Ｓ１６へ進む。水素供給が不要であれば、処理を終了する。
【００２１】
図３の必要水素供給マップは、燃料電池の発電停止時の水素センサ近傍の温度、または相対湿度と、停止後の経過時間とから、必要水素供給時間を求めるマップであり、実験的に各種温度、湿度と停止後の経過時間から、水素検知素子を再起動したときに出力波形にオーバーシュートが現れる時間を測定して求めたもので、予めコントロールユニットに記憶させておく。温度または相対湿度と、停止時間との組み合わせが、図３において必要水素供給時間０［ｓｅｃ］として示した曲線より下方であれば、水素センサ１７へ水素を供給する必要がないと判断する。この曲線より上方であれば、水素供給の必要があると判断する。
【００２２】
図５のＳ１６では、必要水素供給時間の決定を行う。この決定にも図３を使用する。実際には、水素供給の要否と、基準水素濃度における必要水素供給時間は、１回の図３のマップ参照により行うことができるので、Ｓ１４とＳ１６とは同時に処理したことになる。
【００２３】
次いで、図３のマップから求めた基準水素濃度における必要水素供給時間を、実際に供給可能な水素濃度における供給時間に補正するために、図４のマップを参照して、補正係数を求める。そして、この補正係数を乗じることにより、基準水素濃度における必要水素供給時間を補正して、最終的な必要水素供給時間を決定する。次いでＳ１８で窒素パージ弁１１を開き、Ｓ２０で必要水素供給時間経過後に、窒素パージ弁１１を閉じて終了する。
【００２４】
以上説明した本実施例によれば、水素検知素子に水素を供給し、水素検知素子に吸着した水分を含む雑ガスを水素燃焼により脱離させるようにしたので、水素検知素子に吸着した水分を含む雑ガスが、供給された水素の燃焼により素子から脱離する際に一時的に引き起こす水素検知素子の熱アンバランスを除去することができ、出力オーバーシュートによる水素誤検知を無くすことができる。
【００２５】
また本実施例によれば、水素検知素子に吸着した水分を含む雑ガスを水素検知素子から燃焼により脱離させるために必要な水素の必要供給時間は、水素検知装置停止時に水素検知素子近傍にて検知した湿度、または温度、および停止時間から決定するようにしたので、水素検知素子に吸着した水分を含む雑ガスを十分かつ、水素を無駄に供給することなく素子から脱離させ、出力オーバーシュートによる水素誤検知を無くすことができる。
【００２６】
また本実施例によれば、水素検知装置停止時に、水素検知素子近傍にて検知した湿度、または温度、および停止時間から決定された基準濃度の必要水素供給時間に対し、供給可能水素濃度により供給時間を変更するようにしたので、供給可能水素濃度が異なる場合においても十分かつ、水素を無駄に供給することなく素子に吸着した水分を含む雑ガスを脱離させ、出力オーバーシュートによる水素誤検知を無くすことができる。
【００２７】
さらに本実施例によれば、燃料電池起動時にアノードから排出された水素により水素検知素子に吸着した水分を含む雑ガスを脱離させるようにしたので、従来無駄に排出されていた水素を有効利用することができる。
【実施例２】
【００２８】
図６は本発明に係る水素検知装置の実施例２を示すシステム構成図である。実施例２の水素検知装置が実施例１のものと相違する点は以下の通りである。実施例２では、水素センサ１７は空気排出路１５に設置されており、窒素パージ弁１１の下流に設置されていない。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。尚、本実施例における水素センサ１７は、外部指令により起動・停止を制御できる水素センサである。また、水素センサ１７は、水素検知素子及びこの温度補償素子を加熱するヒータを内蔵してもよい。ヒータを内蔵した場合には、コントロールユニット２０の指令でヒータのオン／オフ制御が可能であるものとする。
【００２９】
この水素検知装置では、水素センサ１７は高湿潤なカソードオフガスが流れる空気排出路１５内に設置されているので、車両停止時には水素センサ１７は高湿度環境下にさらされ、水素センサ１７の素子に水分を含む雑ガスが吸着する。このような雑ガスによる水素センサ出力オーバーシュートによる誤検知を回避するために、水素検知を行う前に、水素センサ１７に水素を供給して、水素センサ素子に吸着した水分を含む雑ガスを水素燃焼により脱離させる。
【００３０】
このとき、温度センサ１８または湿度センサ１９で検出した車両停止直後の水素センサ１７近傍の温度Ｔまたは湿度Ｈ、および車両停止時間ｔと、図３に示した基準水素濃度にて予め求められた、水素センサ素子に吸着した水分を含む雑ガスを脱離させるのに必要な水素供給時間マップと、図４に示した供給可能水素濃度における必要水素供給時間補正係数マップにおいて、空気排出路１５中を流れるカソードオフガス中に含まれる水素濃度から決定した必要水素供給時間だけ水素センサ１７を起動させることにより、停止中に水素センサ素子に吸着した水分を含む雑ガスを水素燃焼により脱離させることができる。
【００３１】
またカソードオフガス中の水素濃度を常時モニタする必要が無い、固体高分子電解質膜３の膜破れ検知などに水素検知装置を用いる場合には、車両停止直後の水素センサ１７近傍の温度Ｔまたは湿度Ｈ、および停止時間から決定された水素供給時間だけ、車両起動時に水素センサ１７を起動させ、その後は水素センサ１７近傍の温度Ｔ１、または湿度Ｈ１、および運転時間から水素センサ１７の素子に水分を含む雑ガスが吸着し、その脱離により水素センサ１７の出力誤検知が発生する恐れの無い時間間隔だけ水素センサ１７を停止させることにより、高湿潤ガス環境下における水素センサの検知精度の向上、および劣化速度を低下させ、長寿命化をはかることができる。
【００３２】
また固体高分子電解質膜３の膜破れ検知を車両の停止シーケンスで行う場合には、上記のように水素センサ１７の運転行うことにより、水素センサ１７の素子には水分を含む雑ガスの吸着がない状態になっており、水素検知時に出力オーバーシュートを発生することがなく、水素検知速度の向上による停止シーケンスの短時間化を図ることができる。
【００３３】
次に、図７のフローチャートにより、実施例２における水素検知装置の制御方法を説明する。まずＳ３０において、水素センサ停止時の水素センサ１７近傍の温度または湿度を温度センサ１８，湿度センサ１９からコントロールユニット２０へ読み込む。次いでＳ３２で、水素センサの停止時間を読み込む。次いでＳ１４で、図３に示した必要水素供給マップを参照して、水素センサ１７へ水素供給をする必要があるか否かを判定する。Ｓ３４で水素供給が必要と判定すれば、Ｓ３６へ進む。水素供給が不要であればＳ３０へ戻る。
【００３４】
Ｓ３６では、必要水素供給時間の決定を行う。この決定にも図３を使用する。実際には、水素供給の要否と、基準水素濃度における必要水素供給時間は、１回の図３のマップ参照により行うことができるので、Ｓ３４とＳ３６とは同時に処理したことになる。
【００３５】
次いで、図３のマップから求めた基準水素濃度における必要水素供給時間を、実際に供給可能な水素濃度における供給時間に補正するために、図４のマップを参照して、補正係数を求める。そして、この補正係数を乗じることにより、基準水素濃度における必要水素供給時間を補正して、最終的な必要水素供給時間を決定する。次いでＳ３８で水素センサ１７を起動する。水素センサ１７がヒータを内蔵するものであれば、Ｓ３８で同時にヒータをオンする。次いでＳ４０で、必要水素供給時間経過後に、水素センサ１７を停止してＳ３０へ戻る。水素センサ１７がヒータを内蔵するものであれば、Ｓ４０において、ヒータをオフする。この制御をループさせることにより、水素センサ素子に水分を含む雑ガスが吸着した場合においても、出力オーバーシュートによる水素誤検知の影響を極力小さくし、また水素検知の必要時に検知時間を短縮することができる。
【００３６】
本実施例によれば、水素検知装置停止時に、水素検知素子近傍の温度または湿度、および停止時間から決定された必要水素供給時間だけ水素検知装置を起動させ、その後は温度または湿度から決定された時間間隔だけ水素検知装置を停止させるようにしたので、水素検知素子に吸着した水分を含む雑ガスを十分かつ、水素を無駄に供給することなく素子から脱離させ、出力オーバーシュートによる水素誤検知を無くすことができ、また連続的に水素検知を行わないため水素検知装置の寿命を長くすることができる。
【００３７】
また本実施例によれば、水素検知素子とその温度補償素子とを加熱できるヒータを備えたので、水素検知装置の停止中に水素検知素子に吸着した水分を含む雑ガスを脱離させる際に、ヒータにより水素検知素子を加熱するようにしたので、供給水素濃度が低くても短時間に雑ガスを水素検知素子から脱離させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る水素検知装置の実施例１を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】接触燃焼式の水素検知素子の出力例である。
【図３】実施例１における水素供給時間マップの例である。
【図４】実施例１における供給水素濃度と水素供給時間補正係数を示す図である。
【図５】実施例１の制御フローチャートである。
【図６】本発明に係る水素検知装置の実施例２を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図７】実施例２の制御フローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１：燃料電池システム
２：燃料電池
３：固体高分子電解質膜
４：燃料極
５：空気極
６：水素供給手段
７：水素圧力調整弁
８：水素供給路
９：水素循環路
１０：水素循環ポンプ
１１：窒素パージ弁
１２：パージ通路
１３：コンプレッサ
１４：空気供給路
１５：空気排出路
１６：空気流量調整弁
１７：水素センサ
１８：温度センサ
１９：湿度センサ
２０：コントロールユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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