JP2006010546A - ガス検出装置及びこれを備える燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス検出素子の周囲での水分の滞留を防止することができ、信頼性をさらに高めることができるガス検出装置及びこれを備える燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 検査対象ガスが流通する検査対象ガス流路１４に接続されるガス検出室１５を具備する。このガス検出室１５に導入される検査対象ガスを検出するガス検出素子１と、前記ガス検出素子１の近傍に設けられ、前記ガス検出室１５を大気開放にする大気開放装置１６、１７とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、検査対象ガスが流通する検査対象ガス流路に接続されるガス検出室を具備し、該ガス検出室に導入される検査対象ガスを検出するガス検出素子を備えるガス検出装置、及び、これを備える燃料電池システムに関するものである。

近年、アノードとカソードとを備える燃料電池を有するシステムにおいて、カソード側の配管に水素を検出するガスセンサを設けて、カソード側の配管に水素が混入していないかを検知する構成を備えたものが知られている。
ところで、燃料電池のカソード側のオフガス内にはその性質上多くの水分（例えば生成水、加湿水）が含有しているため、ガスセンサは水分を含んだガスに晒されることとなり、ガスセンサに対する結露対策を行うことが必要となる。

ガスセンサに対する結露対策を行う技術としては、ガス検出部をカバーで覆う技術（特許文献１参照）や、ガスセンサの上流側に隣接して被検出ガスを加熱するヒータを設ける技術（特許文献２参照）が提案されている。
特開平９−５２７９号公報 特開２００４−６９４３６号公報

しかしながら、従来の技術において結露対策を施しても、ガス検出素子の周囲には水分が依然として滞留しており、ヒータやカバーの性能に依存することになるため、結露対策としてはさらに信頼性を向上することが望まれる。

従って、本発明は、ガス検出素子の周囲での水分の滞留を防止することができ、信頼性をさらに高めることができるガス検出装置及びこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、検査対象ガス（例えば、実施の形態における水素）が流通する検査対象ガス流路（例えば、実施の形態における排出管１４）に接続されるガス検出室（例えば、実施の形態における副配管１５）を具備し、該ガス検出室に導入される検査対象ガスを検出するガス検出素子（例えば、実施の形態におけるガスセンサ１）と、前記ガス検出素子の近傍に設けられ、前記ガス検出室を大気開放にする大気開放装置（例えば、実施の形態における大気開放路１６、開放弁１７、排出用ファン１８）とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、前記検査対象ガスを前記ガス検出室に導入しているときに、前記大気開放装置により前記ガス検出室を大気開放することで、前記ガス検出室に導入される検査対象ガスを大気中に流出することができる。従って、検査対象ガス中に水分が含まれていたときであっても、検査対象ガスとともに水分を大気中に流出させることができ、前記ガス検出室中に水分が滞留することを防止することができる。これにより、信頼性をさらに高めることができる。

請求項２に係る発明は、検査対象ガスが流通する検査対象ガス流路に接続されるガス検出室を具備し、該ガス検出室に導入される検査対象ガスを検出するガス検出素子と、前記ガス検出素子の近傍に設けられ、前記ガス検出室に大気を導入する大気導入装置（例えば、実施の形態における大気導入路１９、導入用ファン２０）とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、前記大気導入装置により前記ガス検出室に大気を導入することで、前記ガス検出室内から検査対象ガスを大気により流出させることができる。従って、検査対象ガス中に水分が含まれていたときであっても、検査対象ガスとともに水分を前記ガス検出室内から流出させることができ、前記ガス検出室中に水分が滞留することを防止することができる。これにより、信頼性をさらに高めることができる。加えて、前記ガス検出室に大気を導入しているときには、前記ガス検出室内から検査対象ガスを排出することができるので、このときに前記ガス検出素子のゼロ点補正を行うことで、ガス検出素子の検出精度を高く維持することができる。また、このようにすれば、検査対象ガスの濃度を測定する処理を行わなくても、前記ガス検出素子の周囲に検査対象ガスが存在しないと判定することができるため、ゼロ点補正を行う際に検査対象ガスの濃度を測定する機器を設ける必要がなく、コスト増加を防ぐことができる。

請求項３に係る発明は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給することによる化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスが流通するオフガス流通路と、を備えた燃料電池システムであって、請求項１または請求項２に記載のガス検出装置を備え、前記オフガス流通路に前記ガス検出室を接続するとともに、前記オフガスを検査対象ガスとしたことを特徴とする。

この発明によれば、発電時に水分を生成し、その水分をオフガスと共に排出する燃料電池においては、検査対象ガス中に多くの水分が存在するため、前記ガス検出素子に結露対策を行うことが望まれるが、請求項１または請求項２に記載のガス検出装置を備えたことにより、ガス検出装置の信頼性を向上することができるので、システム全体としての信頼性を一層高めることができる。

請求項１に係る発明によれば、検査対象ガス中に水分が含まれていたときであっても、検査対象ガスとともに水分を大気中に流出させることができ、前記ガス検出室中に水分が滞留することを防止することができるため、信頼性をさらに高めることができる。

請求項２に係る発明によれば、検査対象ガス中に水分が含まれていたときであっても、検査対象ガスとともに水分を前記ガス検出室内から流出させることができ、前記ガス検出室中に水分が滞留することを防止することができるため、信頼性をさらに高めることができる。加えて、コスト増加を抑えつつ、ガス検出素子の検出精度を高く維持することができる。
請求項３に係る発明によれば、ガス検出装置の信頼性を向上することができるので、システム全体としての信頼性を一層高めることができる。

以下、この発明の実施の形態におけるガス検出装置及びこれを備える燃料電池システムを図面と共に説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池５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り、アノードに燃料として水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、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、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。

空気はコンプレッサ１２により所定圧力に加圧され、空気供給流路７を通って燃料電池５のカソードに供給される。燃料電池５に供給された空気は発電に供された後、燃料電池５からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、パージ水素希釈装置１３に導入される。

一方、水素タンク１１から供給される水素は、水素供給流路６を通って燃料電池５のアノードに供給される。そして、燃料電池５から排出された水素は、水素排出流路８に排出される。水素排出流路８はパージ水素希釈装置１３に接続されている。
燃料電池１から排出された水素は、水素排出流路８を介してパージ水素希釈装置１３に導入される。そして、空気排出流路９を介してパージ水素希釈装置１３に導入された空気によって水素は希釈され、希釈された水素が排出管１４から排出ガスとして排出される。

図２は第１の実施の形態におけるガス検出装置の要部断面図である。同図に示すように、排出管１４には副配管１５が接続され、この副配管１５にはガスセンサ１が設けられている。ガスセンサ１は、排出管１４を流通する排出ガスの水素濃度を検出するためのものであり、このガスセンサ１の出力信号が制御装置２に入力される。
制御装置２は、例えば、ガスセンサ１から出力される検出信号と、所定の判定閾値との比較結果に応じて、燃料電池５の異常状態が発生しているか否かを判定し、異常状態であると判定した際には、警報装置（図示せず）によって警報等を出力する。

例えば図２に示すように、ガスセンサ１は水平方向に伸びる排出管１４の長手方向、つまり水平方向に沿って長い直方形状のケース２１を備えている。ケース２１は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、長手方向両端部にフランジ部２２を備えている。
また、ケース２１の厚さ方向の端面には筒状部２６が形成され、筒状部２６の内部はガス検出部２７として形成され、ガス検出部２７の内部側面には、内側に向かってフランジ部２８が形成され、フランジ部２８の内周部分がガス導入部２９として開口形成されている。

ケース２１内には樹脂で封止された回路基板３０が設けられ、筒状部２６の内部に配置された検出素子３１および温度補償素子３２は、回路基板３０に接続されている。そして、各素子３１，３２は回路基板３０に接続された複数、例えば４個の通電用のステー３３およびリード線である白金ワイヤ３３ａにより、ガス検出部２７の底面側に配置されたベース３４や金属母材３８から、ガスセンサ１の厚さ方向に所定距離だけ離間した位置において、所定間隔を隔てて対をなすようにして配置されている。また、筒状部２６の外周面にシール材３５が取り付けられ、このシール材３５が副配管１５の貫通孔１５ａの内周壁に密接して気密性を確保している。

検出素子３１は接触燃焼式の素子であって、電気抵抗に対する温度係数が高い白金等を含む金属線のコイルの表面が、被検出ガスとされる水素に対して活性な貴金属等からなる触媒を坦持するアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
温度補償素子３２は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子３１と同等のコイルの表面がアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。

そして、被検出ガスである水素が検出素子３１の触媒に接触した際に生じる燃焼反応の発熱により高温となった検出素子３１と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず検出素子３１よりも低温の温度補償素子３２との間に電気抵抗値の差が生ずることを利用し、雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺して水素濃度を検出することができるようになっている。

また、ガス検出部２７内には略矩形板状のヒータ３６が配置されている。このヒータ３６は抵抗体等から構成され、回路基板３０によって通電されることでガス検出部２７内および各素子３１，３２を加熱するものである。
加えて、ガス検出部２７内には、環境影響、例えば湿気や被検出ガスの影響度を少なくする為に、撥水フィルタ４０やフィルタ４１が配設されている。

また、前記副配管１５には、前記ガスセンサ１の近傍に設けられ、副配管１５を大気開放にする大気開放路１６が接続されている。大気開放路１６の先端部には開放弁１７が設けられている。この開放弁１７を全開状態にしておくことで、前記副配管１５内の排出ガスを外部に流出させることができる。

よって、排出管１４内を流通する排出ガス（希釈された水素オフガス）を副配管１５内に導入しているときに、開放弁１７を全開にして大気開放することで、副配管１５内に導入される排出ガスを大気中に流出することができる。従って、副配管１５内に導入される排出ガス中に水分が含まれていたときであっても、排出ガスとともに水分を大気中に流出させることができる。ゆえに、前記副配管１５内に水分が滞留することを防止することができる。これにより、ガスセンサ１の信頼性をさらに高めることができる。

図３は第２の実施の形態におけるガス検出装置の断面図である。同図に示すように、本実施の形態においては、大気開放路１６内に、排出用ファン１８を装着している点が上述の実施の形態と異なっている。このようにすると、排出管１４内を流通する排出ガス（希釈された水素オフガス）を副配管１５内に導入しているときに、排出用ファン１８を作動させることで、前記副配管１５内から排出される排出ガスの流速を高めることができる。従って、前記副配管１５内に水分が滞留することをより効果的に防止することができる。これにより、ガスセンサ１の信頼性をさらに高めることができる。

図４は第３の実施の形態におけるガス検出装置の断面図である。同図に示すように、本実施の形態においては、副配管１５に大気導入路１９を接続して、大気導入路１９内に導入用ファン２０を装着している。また、排出ガスの流通を許容または遮断可能なシャッターバルブ１４ａを排出管１４内に設けている。これらの点が上述の実施の形態と異なっている。

このようにすると、前記導入用ファン２０を作動させることで大気導入路１９を介して副配管１５内に大気を導入することで、副配管１５内から排出ガスを大気により排出管１４内に流出させることができる。従って、排出ガス中に水分が含まれていたときであっても、排出ガスとともに水分を前記副配管１５内から流出させることができ、前記副配管１５中に水分が滞留することを防止することができる。これにより、ガスセンサ１の信頼性をさらに高めることができる。

加えて、前記副配管１５に大気を導入しているときには、前記副配管１５内から排出ガスを排出することができるので、このときに前記ガスセンサ１のゼロ点補正を行うことで、ガスセンサ１の検出精度を高く維持することができる。また、このようにすれば、排出ガス中の水素濃度を測定する処理を行わなくても、前記ガスセンサ１の周囲に水素が存在しないと判定することができるため、ゼロ点補正を行う際に水素の濃度を測定する機器を設ける必要がなく、コスト増加を防ぐことができる。

このとき、排出管１４内のシャッターバルブ１４ａを作動させて排出管１４内の流路を閉塞させておくと、副配管１５内から流出した排出ガスを排出管１４のシャッターバルブ１４ａ下流側に速やかに案内することが出来る点で好ましい。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態においては、検査対象ガスが水素である場合について説明したが、これに限らず他のガス（メタノール等）であってもよい。また、実施の形態においては、ガス検出装置を燃料電池システムに適用した場合について説明したが、他のシステムに適用することもできる。また、実施の形態においては、ガス検出素子として、ガス接触燃焼式ガスセンサ、すなわち、検出対象ガス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前記検出対象ガスのガス濃度を検出するガスセンサについて説明したが、これに限られない。例えば、検出対象ガスが検出素子表面の酸素と接触離脱した時に生じる素子抵抗値が変化する事により、前記検出対象ガスのガス濃度を検出する半導体方式ガスセンサを用いてもよい。

本発明の第１から第３の実施の形態におけるガス検出装置を有する燃料電池システムの全体構成図である。 第１の実施の形態におけるガス検出装置の断面図である。 第２の実施の形態におけるガス検出装置の断面図である。 第３の実施の形態におけるガス検出装置の断面図である。

符号の説明

１…ガスセンサ（ガス検出素子）
１４…排出管（検査対象ガス流路）
１５…副配管（ガス検出室）
１６…大気開放路（大気開放装置）
１７…開放弁（大気開放装置）
１８…排出用ファン（大気開放装置）
１９…大気導入路（大気導入装置）
２０…導入用ファン（大気導入装置）

Claims (3)

1. 検査対象ガスが流通する検査対象ガス流路に接続されるガス検出室を具備し、該ガス検出室に導入される検査対象ガスを検出するガス検出素子と、
   前記ガス検出素子の近傍に設けられ、前記ガス検出室を大気開放にする大気開放装置とを備えたことを特徴とするガス検出装置。
2. 検査対象ガスが流通する検査対象ガス流路に接続されるガス検出室を具備し、該ガス検出室に導入される検査対象ガスを検出するガス検出素子と、
   前記ガス検出素子の近傍に設けられ、前記ガス検出室に大気を導入する大気導入装置とを備えたことを特徴とするガス検出装置。
3. 水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給することによる化学反応によって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されるオフガスが流通するオフガス流通路と、を備えた燃料電池システムであって、
   請求項１または請求項２に記載のガス検出装置を備え、
   前記オフガス流通路に前記ガス検出室を接続するとともに、前記オフガスを検査対象ガスとしたことを特徴とする燃料電池システム。
   

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