(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスが流通する主流路から分岐し再び主流路に合流するセンシング用の副流路と、前記副流路に設置され該副流路を流れる前記カソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段と、前記副流路の分岐点と合流点との間の前記主流路に設けられた主流量制御弁と、前記副流路に設けられた副流量制御弁と、を備え、前記副流量制御弁の開度を、前記副流路を流れるカソードオフガスの流量が一定の所定流量となるように、燃料電池の出力、燃料電池に供給される空気流量、目標発電量のいずれかに基づいて制御することを特徴とする水素検出装置。
【請求項２】
燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスが流通する主流路から分岐し終端が開放されたセンシング用の副流路と、前記副流路に設置され該副流路を流れる前記カソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段と、前記副流路の分岐点よりも上流の前記主流路に設けられた主流量制御弁と、を備えることを特徴とする水素検出装置。
【請求項３】
燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスが流通する主流路から分岐し再び主流路に合流するセンシング用の副流路と、前記副流路に設置され該副流路を流れる前記カソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段と、前記副流路の分岐点よりも上流の前記主流路に設けられた主流量制御弁と、前記副流路の分岐点と合流点との間の前記主流路に設けられた絞りと、を備えることを特徴とする水素検出装置。
【請求項４】
燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスが流通する主流路から分岐し再び主流路に合流するセンシング用の副流路と、前記副流路に設置され該副流路を流れる前記カソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段と、前記副流路の分岐点よりも上流の前記主流路に設けられた主流量制御弁と、を備え、前記副流路の上流側端部が前記主流路を流れるカソードオフガスの流れの向きに対向して配置されていることを特徴とする水素検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、検査対象ガスの流路上で検査対象ガス中の水素を検出する水素検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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アノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックを備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノード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通過してカソードまで移動して、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、例えば特公平６−５２６６２号公報に開示されているように、燃料電池のカソード側の排出系に酸素検出器および水素検出器を備え、各検出器による検出値が所定の閾値を超えた場合に、燃料電池の運転を停止する保護装置が知られている。
また、特開平６−２２３８５０号公報に開示されているように、燃料電池のカソード側の排出系に水素検出器を備え、この水素検出器により水素が検出された場合に、燃料電池の運転を停止する保護装置が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記水素検出器は、流通するガス中の水素を検出するため、図３に示すように、検査対象ガス中の水素濃度が一定の場合にもガス流量によって検出出力（水素濃度）が相違するという出力特性を有しており、ガス流量が水素検出器の検出精度に影響を及ぼすことがわかった。
【０００５】
しかしながら、前記燃料電池では、カソードから排出される反応済みの空気（以下、カソードオフガスという）の流量は流量制御弁によって制御可能にはなっているものの、カソードオフガスの流量は燃料電池の運転状態によって制御されるため、水素検出器にとって最適流量になっているかというと、必ずしもそうとは言えなかった。
そこで、この発明は、検出誤差を抑制することができる水素検出装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）のカソードから排出されるカソードオフガス（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス）が流通する主流路（例えば、後述する実施の形態における空気排出路２２）から分岐し再び主流路に合流するセンシング用の副流路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス路２４）と、前記副流路に設置され該副流路を流れる前記カソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段（例えば、後述する実施の形態における水素センサ２５）と、前記副流路の分岐点と合流点との間の前記主流路に設けられた主流量制御弁（例えば、後述する実施の形態における主流量制御弁２３）と、前記副流路に設けられた副流量制御弁（例えば、後述する実施の形態における副流量制御弁２６）と、を備え、前記副流量制御弁の開度を、前記副流路を流れるカソードオフガスの流量が一定の所定流量となるように、燃料電池の出力、燃料電池に供給される空気流量、目標発電量のいずれかに基づいて制御することを特徴とする水素検出装置（例えば、後述する実施の形態における水素検出装置１）である。
このように構成することにより、前記水素検出手段を備える前記副流路に一定の所定流量のカソードオフガスを流すことができるので、水素検出手段の検出誤差を一定にすることができる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）のカソードから排出されるカソードオフガス（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス）が流通する主流路（例えば、後述する実施の形態における空気排出路２２）から分岐し終端が開放されたセンシング用の副流路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス路２４）と、前記副流路に設置され該副流路を流れる前記カソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段（例えば、後述する実施の形態における水素センサ２５）と、前記副流路の分岐点よりも上流の前記主流路に設けられた主流量制御弁（例えば、後述する実施の形態における主流量制御弁２３）と、を備えることを特徴とする水素検出装置（例えば、後述する実施の形態における水素検出装置１）である。 
このように構成することにより、燃料電池の出力変化に伴う副流路に流れるカソードオフガスの流量変化幅を小さくすることができるので、水素検出手段の検出誤差を抑制することができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）のカソードから排出されるカソードオフガス（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス）が流通する主流路（例えば、後述する実施の形態における空気排出路２２）から分岐し再び主流路に合流するセンシング用の副流路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス路２４）と、前記副流路に設置され該副流路を流れる前記カソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段（例えば、後述する実施の形態における水素センサ２５）と、前記副流路の分岐点よりも上流の前記主流路に設けられた主流量制御弁（例えば、後述する実施の形態における主流量制御弁２３）と、前記副流路の分岐点と合流点との間の前記主流路に設けられた絞り（例えば、後述する実施の形態における絞り２７）と、を備えることを特徴とする水素検出装置（例えば、後述する実施の形態における水素検出装置１）である。 
このように構成することにより、燃料電池の出力変化に伴う副流路に流れるカソードオフガスの流量変化幅を小さくすることができるので、水素検出手段の検出誤差を抑制することができる。
請求項４に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）のカソードから排出されるカソードオフガス（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス）が流通する主流路（例えば、後述する実施の形態における空気排出路２２）から分岐し再び主流路に合流するセンシング用の副流路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス路２４）と、前記副流路に設置され該副流路を流れる前記カソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段（例えば、後述する実施の形態における水素センサ２５）と、前記副流路の分岐点よりも上流の前記主流路に設けられた主流量制御弁（例えば、後述する実施の形態における主流量制御弁２３）と、を備え、前記副流路の上流側端部（例えば、後述する実施の形態における上流側端部２４ａ）が前記主流路を流れるカソードオフガスの流れの向きに対向して配置されていることを特徴とする水素検出装置（例えば、後述する実施の形態における水素検出装置１）である。 
このように構成することにより、燃料電池の出力変化に伴う副流路に流れるカソードオフガスの流量変化幅を小さくすることができるので、水素検出手段の検出誤差を抑制することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る水素検出装置の実施の形態を図１から図８の図面を参照して説明する。
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る水素検出装置の第１の実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。
図１は、この発明に係る水素検出装置１を備えた燃料電池システムの構成図である。この実施の形態において、水素検出装置１を備えた燃料電池システムは、例えば燃料電池の発電電力によって駆動する電気自動車等の車両に搭載されている。
【００１０】
燃料電池２は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。この燃料電池２では、水素供給路１１を介して燃料として水素が前記アノードに供給されるとともに、空気供給路２１を介して酸化剤として空気が前記カソードに供給され、アノード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通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水を生成する。そして、未反応の水素、すなわち水素オフガスは水素排出路１２から系外へ排出され、図示しない循環路などを介して再利用される。反応済みの空気、すなわち空気オフガス（カソードオフガス）は空気排出路（主流路）２２から大気へ排出される。空気排出路２２には、燃料電池２の出力に応じて空気流量を制御するための主流量制御弁２３が設置されている。
【００１１】
この空気排出路２２の途中に水素検出装置１が設けられている。水素検出装置１は、主流量制御弁２３の上流において空気排出路２２から分岐し主流量制御弁２３の下流の空気排出路２２に再び合流するセンシング用のバイパス路（副流路）２４と、バイパス路２４に設置された水素センサ（水素検出手段）２５と、水素センサ２５よりも上流のバイパス路２４に設けられた副流量制御弁（流量制御手段）２６とから構成されている。
【００１２】
水素センサ２５は、バイパス路２４の外周面上部に固定され、検知部２５ａがバイパス路２４の内面とほぼ面一になるように設置されており、空気オフガスはバイパス路２４に対して略垂直に検出部２５ａへ導入される。
水素センサ２５は、いわゆるガス接触燃焼式水素センサであり、水素が触媒に接触した際に燃焼する熱を利用して、検出素子と温度補償素子との電気抵抗の差異から水素濃度を検出するようになっている。
【００１３】
この燃料電池システムでは、燃料電池２の出力に応じて主流量制御弁２３により空気供給流量が制御されるので、燃料電池２の出力増大に従って、燃料電池２から排出され空気排出路２２に流れる空気オフガスの流量も増大する。
また、この燃料電池システムにおいて、バイパス路２４が、空気排出路２２における主流量制御弁２３の上流と下流とを接続するように設けられているので、主流量制御弁２３による絞りがバイパス路２４の上流側と下流側との間に差圧を発生させ、バイパス路２４にも空気オフガスが流れるようになる。
さらに、バイパス路２４に設けられた図示しない流量センサによってバイパス路２４に流れるガス流量を検出し、バイパス路２４に流れるガス流量をほぼ一定に保つように、副流量制御弁２６をフィードバック制御する。さらに詳しくは、バイパス路２４に流れる流量が所定の流量よりも多い場合には副流量制御弁２６の開度を所定閉じ、逆にバイパス路２４に流れる流量が所定の流量よりも少ない場合には副流量制御弁２６の開度を所定開けるように制御する。このときの前記所定の流量は所定の流量幅を持たせてもよい。
このように、バイパス路２４に設けられた副流量制御弁２６を所定に制御することにより、バイパス路２４に流れる空気オフガスの流量をほぼ一定に制御することで、バイパス路２４に設けられた水素センサ２５は、空気オフガス流量ほぼ一定の下で空気オフガス中の水素濃度を検出することができる。
【００１４】
図２は、バイパス路２４を流れる空気オフガスの流量が一定になるように副流量制御弁２６を制御したときの、主流路である空気排出路２２を流れる空気流量と、副流路であるバイパス路２４を流れる空気流量と、燃料電池の出力との関係を示したものである。
図３は、一定の水素濃度の空気を検査対象ガスとしたときの水素センサ２５の出力特性であり、空気流量が変化すると水素センサ２５の出力（すなわち、水素センサ２５で検出される水素濃度）が変化し、検出誤差が生じる。
【００１５】
しかしながら、この水素検出装置１では、副流量制御弁２６を制御することによってバイパス路２４には常にほぼ一定流量の空気オフガスを流すことができるので、水素センサ２５は常に図３の出力特性における定点（例えばＡ点）で検出することができる。したがって、水素センサ２５の検出精度を常に一定にでき、燃料電池２に出力変化があっても水素センサ２５の検出誤差が一定になり、結果的に検出精度が向上する。
【００１６】
なお、副流量制御弁２６の制御方法としては、バイパス路２４を流れる空気オフガスの流量が一定の所定流量となるための、燃料電池２の出力と副流量制御弁２６の開度（あるいはデューティー比）との関係を予め実験的に求めてマップ化しておき、燃料電池２の出力に応じて前記マップを参照して副流量制御弁２６の開度（あるいはデューティー比）を決定する方法を例示することができる。また、この場合、燃料電池２の出力に代えて、燃料電池２に供給される空気流量、または、目標発電量に応じて、副流量制御弁２６の開度（あるいはデューティー比）を決定するように制御することも可能である。
【００１７】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る水素検出装置１の第２の実施の形態を図４から図６の図面を参照して説明する。第２の実施の形態の水素検出装置１が第１の実施の形態のものと相違する点は以下の通りである。
第２の実施の形態では、水素センサ２５を備えたバイパス路２４は、空気排出路２２に設けられた主流量制御弁２３の下流において空気排出路２２から分岐されており、バイパス路２４の下流は大気開放にされている。なお、バイパス路２４の内径は、空気排出路２２の内径よりも小さく設定されている。また、バイパス路２４には副流量制御弁２６が設けられていない。その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００１８】
このように構成された水素検出装置１では、空気排出路２２を流れる空気オフガスの一部がバイパス路２４へと流れる。そして、燃料電池２の出力増大に従って、空気排出路２２を流れる空気オフガスの流量が増大すると、バイパス路２４に流れる空気オフガスの流量も増大するが、図５に示すように、燃料電池２の出力変化に伴う空気オフガスの流量変化幅は、副流路であるバイパス路２４における変化幅の方が、主流路である空気排出路２２における変化幅よりも格段に小さくなる。
【００１９】
その結果、バイパス路２４に水素センサ２５を設けたこの水素検出装置１では、図６に示すように、水素センサ２５の検出誤差を小さくすることができる。したがって、燃料電池２に出力変化があっても水素センサ２５の検出誤差が少なくなり、検出精度が向上する。
なお、バイパス路２４に副流量制御弁２６を設けて、バイパス路２４を流れる空気オフガスの流量がほぼ一定になるように制御することも可能であり、そのようにすると、さらに検出精度を上げることができる。
【００２０】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る水素検出装置１の第３の実施の形態を図７の図面を参照し、図５および図６を援用して説明する。第３の実施の形態の水素検出装置１が第１の実施の形態のものと相違する点は以下の通りである。
第３の実施の形態では、水素センサ２５を備えたバイパス路２４は、空気排出路２２に設けられた主流量制御弁２３の下流において空気排出路２２から分岐されており、バイパス路２４の下流は再び空気排出路２２に接続されている。バイパス路２４には副流量制御弁２６が設けられていない。そして、空気排出路２２においてバイパス路２４との上流側接続部２２ａと下流側接続部２２ｂとの間に、絞り２７が設けられている。その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２１】
この燃料電池システムにおいては、空気排出路２２に設けた絞り２７が、バイパス路２４の上流側と下流側との間に差圧を発生させるので、空気排出路２２を流れる空気オフガスの一部がバイパス路２４にも流れるようになる。そして、燃料電池２の出力増大に従って、空気排出路２２を流れる空気オフガスの流量が増大すると、バイパス路２４に流れる空気オフガスの流量も増大するが、図５に示すように、燃料電池２の出力変化に伴う空気オフガスの流量変化幅は、副流路であるバイパス路２４における変化幅の方が、主流路である空気排出路２２における変化幅よりも格段に小さくなる。
【００２２】
その結果、バイパス路２４に水素センサ２５を設けたこの水素検出装置１では、図６に示すように、水素センサ２５の検出誤差を小さくすることができる。したがって、燃料電池２に出力変化があっても水素センサ２５の検出誤差が少なくなり、検出精度が向上する。
なお、バイパス路２４に副流量制御弁２６を設けて、バイパス路２４を流れる空気オフガスの流量がほぼ一定になるように制御することも可能であり、そのようにすると、さらに検出精度を上げることができる。
【００２３】
〔第４の実施の形態〕
次に、この発明に係る水素検出装置１の第４の実施の形態を図８の図面を参照し、図５および図６を援用して説明する。第４の実施の形態の水素検出装置１が第１の実施の形態のものと相違する点は以下の通りである。
第４の実施の形態では、水素センサ２５を備えたバイパス路２４は、空気排出路２２に設けられた主流量制御弁２３の下流において空気排出路２２の内部から分岐されており、バイパス路２４の下流は再び空気排出路２２に接続されている。バイパス路２４の上流側端部２４ａは、空気排出路２２を流れる空気オフガスの流れの向きに対向するように配置されており、バイパス路２４には副流量制御弁２６が設けられていない。その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２４】
このようにバイパス路２４を設置した場合にも、バイパス路２４の上流側と下流側との間に差圧が発生するので、空気排出路２２を流れる空気オフガスの一部がバイパス路２４にも流れるようになる。そして、燃料電池２の出力増大に従って、空気排出路２２を流れる空気オフガスの流量が増大すると、バイパス路２４に流れる空気オフガスの流量も増大するが、図５に示すように、燃料電池２の出力変化に伴う空気オフガスの流量変化幅は、副流路であるバイパス路２４における変化幅の方が、主流路である空気排出路２２における変化幅よりも格段に小さくなる。
【００２５】
その結果、バイパス路２４に水素センサ２５を設けたこの水素検出装置１では、図６に示すように、水素センサ２５の検出誤差を小さくすることができる。したがって、燃料電池２に出力変化があっても水素センサ２５の検出誤差が少なくなり、検出精度が向上する。
なお、バイパス路２４に副流量制御弁２６を設けて、バイパス路２４を流れる空気オフガスの流量がほぼ一定になるように制御することも可能であり、そのようにすると、さらに検出精度を上げることができる。
【００２６】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、水素検出手段は、接触燃焼式水素センサに限るものではなく、ガス流中で水素を検出することができるタイプのものであれば、その形式は問わない。また、水素を検知する検知部２５ａをバイパス路２４内に突出するように設置してもよい。
また、検査対象ガスは、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスに限るものではなく、他のガスであってもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、前記水素検出手段を備える前記副流路に一定の所定流量のカソードオフガスを流すことができ、水素検出手段の検出誤差を一定にすることができるので、水素検出装置の検出精度が向上するという優れた効果が奏される。
【００２８】
請求項２から請求項４に係る発明によれば、燃料電池の出力変化に伴う副流路に流れるカソードオフガスの流量変化幅を小さくすることができ、水素検出手段の検出誤差を小さくすることができるので、水素検出装置の検出精度が向上するという優れた効果が奏される。
また、請求項２から請求項４に係る発明において、副流路に副流量制御弁を備える場合には、副流路を流れるカソードオフガスの流量を制御することが可能になるので、水素検出手段の検出誤差を確実に抑制することができ、水素検出装置の検出精度が確実に向上するという効果がある。
【００２９】
また、請求項１から請求項４に係る発明によれば、カソードオフガス中の水素検出精度が向上するので、水素検出手段が水素ガスを検出した場合に、例えば、固体高分子電解質膜異常等の原因が考えられるので燃料電池の運転を停止する等の対策を速やかに講ずることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る水素検出装置の第１の実施の形態における構成図である。
【図２】  前記第１の実施の形態において、燃料電池出力と主流路および副流路を流れる空気流量との関係を示す図である。
【図３】  同一水素濃度の検査対象ガスを検出した場合の水素センサの出力特性、および、前記第１の実施の形態における水素センサの出力の誤差を説明する図である。
【図４】  この発明に係る水素検出装置の第２の実施の形態における構成図である。
【図５】  前記第２の実施の形態において、燃料電池出力と主流路および副流路を流れる空気流量との関係を示す図である。
【図６】  前記第２の実施の形態における水素センサ出力の誤差を説明する図である。
【図７】  この発明に係る水素検出装置の第３の実施の形態における構成図である。
【図８】  この発明に係る水素検出装置の第４の実施の形態における構成図である。
【符号の説明】
１  水素検出装置
２  燃料電池
２２  空気排出路（主流路）
２４  バイパス路（副流路）
２５  水素センサ（水素検出手段）
２６  副流量制御弁２６（流量制御手段）
【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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【図８】
0003936223.tif 000009