JP2008304237A - 可燃性ガスセンサ、該ガスセンサを備えた燃料電池システム、及び可燃性ガスセンサの異常検出方法、該異常検出方法を用いた燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】定電流電源を必要とせずに、異常が断線、短絡のいずれによるものかを短時間で判断して、システムを確実かつ迅速に停止することができ、システムの小型化を図ることが可能となる可燃性ガスセンサ等を提供する。
【解決手段】可燃性ガスセンサであって、
外部環境の変化を補償するための補償器と、可燃性ガスの濃度を検出する検出器と、によってブリッジが形成されてなる検出回路が構成され、
前記検出回路には該検出回路を流れる電流を計測する手段を有する構成とする。
その際、前記検出回路内を流れる電流を計測する手段を、前記ブリッジに直列に挿入された固定抵抗と、前記固定抵抗の両端の電圧を測定する手段と、によって構成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、可燃性ガスセンサ、該ガスセンサを備えた燃料電池システム、及び可燃性ガスセンサの異常検出方法、該異常検出方法を用いた燃料電池システムの制御方法に関するものである。
詳しくは、可燃性ガスセンサの検出回路中を流れる電流を計測することにより、異常が断線によるものか短絡によるものかを判別する技術に関するものである。

燃料電池など水素利用技術の開発が進むにつれ、可燃性ガスセンサの重要性が増している。
また、燃料電池は、車載用や家庭用定置型だけでなく、従来の２次電池の代替としてのモバイル機器用の開発も進み、それに搭載される可燃性ガスセンサは、益々、小型化、低消費電力化が求められている。

従来、可燃性ガスセンサには、様々なものが開発され、市販されてきた。
これらは、吸着式、接触燃焼式、気体熱伝導式の大きく３つに分類され、ガス種や検出領域、応答速度などによって使い分けられる。
吸着式可燃性ガスセンサは、金属酸化物半導体（酸化スズ）などの表面にガスが吸着した際の、電気抵抗の変化や体積膨張を測定するものである。
また、接触燃焼式可燃性ガスセンサは、触媒（白金線など）表面でのガスの接触燃焼による温度上昇に伴う抵抗値変化を測定するものである。
また、気体熱伝導式可燃性ガスセンサは、ガスの熱伝導度の差による発熱体（白金コイルなど）の温度変化に伴う電気抵抗の変化を測定するものである。

例えば、燃料電池における燃料（水素）の漏洩検知には、検出濃度、応答性などの観点から、接触燃焼式の可燃性ガスセンサが多く用いられている。
接触燃焼式可燃性ガスセンサの検出素子（検出器）は、接触燃焼による温度上昇に伴う抵抗値変化を測定するため、外部環境温度の影響を受けやすい。
そこで、通常は検出素子（検出器）と同程度の大きさ、電気抵抗、伝熱特性を有し、触媒を付加していない補償素子（補償器）を用いてホイートストンブリッジを組み、環境温度の影響を校正している。
これらの検出素子、補償素子は、外部との熱のやり取りを極力少なくするため、非常に細い電線によって、空中に保持された状態で取り付けられているのが一般的である。
そのため、衝撃などを受けると、この電線が断線してしまうことがあった。断線が起こると、センサからの正しい出力が得られず、燃料が漏れても正しく検出できない。
以上のことから、例えば、特許文献１のように、燃料電池システムに水素センサだけでなく、加速度センサを備えることにより、強い加速度を検知すると、燃料の供給を遮断するシステムが提案されている。

ところで、接触燃焼式可燃性ガスセンサの故障においては、断線の他に回路が短絡してしまう場合がある。
このような短絡の原因としては、センサモジュールの回路の結露などが挙げられる。
しかしながら、センサに定電圧の電気を供給する従来の可燃性ガスセンサの駆動方法では、補償器の断線と検出器の短絡、あるいは、補償器の短絡と検出器の断線は同じ出力が現れてしまい、断線か短絡かの判別が困難であった。
そこで、例えば特許文献２のように、センサへの供給電源を定電流とし、検出器、あるいは、補償器の両端の電位を測定することで、断線か短絡かの判別を行う方法が提案されている。

一方、小型の電気機器に搭載するエネルギー源として、小型の燃料電池が注目されている。
燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン２次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。
特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。
しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。
水素を得る方法には、高圧タンクを用いる他に、水素吸蔵合金やケミカルハイドライドなどから水素を取り出したり、メタノールなどから改質によって水素を生成する方法がある。
水素吸蔵合金には、例えばＬａＮｉ_５があり、ケミカルハイドライドには、例えば、ホウ素化水素ナトリウムがある。また、金属粉末に水を加えることで水素を発生させる方法もある。一般に水素吸蔵合金の水素解離反応は、吸熱反応である。
一方、ケミカルハイドライドでは、水素の放出は発熱反応である場合が多い。また、改質では反応温度は数百℃程度である。

また、燃料電池の発電は発熱を伴う。例えば、燃料電池の発電におけるエネルギー変換効率を５０％とすると、発電量と同程度の熱を発生する。
固体高分子形燃料電池の場合、プロトン伝導を促進するため、高分子電解質膜は、湿潤していることが好ましい。
そのため、供給される燃料や酸化剤（空気）は加湿して用いられることが多い。
また、加湿を行わない場合においても、燃料電池の燃料極では、反応に伴い、水が生成する。そのため、燃料電池からの排気空気は、周囲の環境よりも温度が高く、湿っている場合が多い。
従って、排出空気が、温度の低い箇所（筐体の壁など）に接触すると、結露が起こる場合がある。そこで、可燃性ガスセンサを燃料電池システム内で使用する場合には、特に結露に注意する必要がある。

上記した特許文献２による断線、短絡判別手段を用いた場合、短絡の原因が故障によるものなのか、結露によるものなのか判別できない。そのため、短絡の原因によらず、システムを停止していた。
しかしながら、可燃性ガスセンサが結露している場合に、ガスセンサへの電気の供給を中止してしまうと、検出器、補償器の温度が低下してしまい、却って、復帰に時間がかかってしまう。
そこで、特許文献３においては、ガスセンサの出力値が所定の値を超えた場合には、異常状態だと判断するが、すぐには停止せず、さらに異常状態が所定の時間以上経過した場合にのみ、結露ではない短絡と判断しシステムを停止する装置が提案されている。
また、特許文献４においては、可燃性ガスセンサの近傍にヒータを設けることで、結露を防止する装置が提案されている。
特開２００４−１２７７４８号公報 特開平１１−２７１５６号公報 特開２００６−１５３６０１号公報 特開２００６−１５３５９６号公報

以上に述べたように、燃料電池の燃料（水素）漏洩検出には、応答性、感知濃度などから接触燃焼式の可燃性ガスセンサが適している。
しかしながら、この接触燃焼式の可燃性ガスセンサは検出器、および、補償器が非常に細いワイヤで支えられた構造を有しており、衝撃により、断線する場合があった。
このような場合、特許文献１のように、衝撃センサ（加速度センサ）を備えた構成を採ることにより、燃料センサが衝撃などにより断線、故障し、燃料の漏洩が検出できなくなった場合、燃料漏れが生じる前に、燃料の供給を停止することが可能となる。
しかしながら、このように燃料センサ（水素センサ）の他に、衝撃センサ（加速度センサ）を別途設けることは、システムの大型化、コストの増大を招き、システムの小型化や低コスト化を図ることが困難であった。
また、他のセンサを用いずに、定電圧駆動の接触燃焼式可燃性ガスセンサで、素子電圧をモニタリングする方式では、断線、短絡の判別が困難であった。
また、定電流駆動で、素子電流をモニタリングする特許文献２に記載の方法では、電源が複雑になり、大型化や、コスト高となるという課題を有していた。
特に、電池などでセンサを駆動する携帯機器用の小型燃料電池には不向きであった。

一方、特許文献３のように出力に閾値を設ける方法では、断線、短絡の区別ができなかった。
また、時間によって、結露か故障かを判別する方法では、判別に時間がかかるという問題を有していた。
衝撃によってセンサが断線したような場合においては、システム全体に大きな衝撃が加わっており、燃料が漏洩している可能性もある。
従って、断線時には、すぐに燃料の供給を停止する必要があるが、上記特許文献３の方式では速やかな対応が困難であった。
また、結露防止方法として、特許文献４に開示されているようにヒーターを新たに設ける方法では、ヒーターの駆動に電力が必要となり、システム効率を低下させる恐れがあった。

本発明は、上記課題に鑑み、定電流電源を必要とせずに、異常が断線、短絡のいずれによるものかを短時間で判断して、システムを確実かつ迅速に停止することができ、システムの小型化を図ることが可能となる、
可燃性ガスセンサ、該ガスセンサを備えた燃料電池システム、及び可燃性ガスセンサの異常検出方法、該異常検出方法を用いた燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、つぎのように構成した可燃性ガスセンサ、該ガスセンサを備えた燃料電池システム、及び可燃性ガスセンサの異常検出方法、該異常検出方法を用いた燃料電池システムの制御方法を提供するものである。
本発明の可燃性ガスセンサは、
外部環境の変化を補償するための補償器と、可燃性ガスの濃度を検出する検出器と、によってブリッジが形成されてなる検出回路が構成され、
前記検出回路は、該検出回路を流れる電流を計測する手段を有することを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサは、
前記検出回路を流れる電流を計測する手段が、前記ブリッジに直列に挿入された固定抵抗と、前記固定抵抗の両端の電圧を測定する手段と、によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサは、前記固定抵抗が、前記ブリッジの抵抗の１／１００００以上、１／５０以下であることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサは、前記検出回路を流れる電流を計測する手段が、前記固定抵抗の両端の電圧を測定する手段によって、
前記検出回路を流れる電流が所定の値よりも大きければ短絡と判断し、所定の値よりも小さければ断線と判断する異常判別手段を構成していることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサは、前記異常判別手段が、可燃性ガスセンサの出力値が所定の範囲を超えたことを検出する手段による出力検出に基づいて、作動するように構成されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサは、前記検出回路が、前記ブリッジの抵抗を計測する手段を有し、
前記ブリッジの抵抗を計測する手段は、前記検出回路を流れる電流を計測する手段と、前記ブリッジ両端の印加電圧を計測する手段と、によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、可燃性ガスセンサと燃料電池と燃料タンクとを有する燃料電池システムであって、
前記可燃性ガスセンサとして、上記したいずれかに記載の可燃性ガスセンサを備えていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料遮断手段を有し、
前記燃料遮断手段は、前記可燃性ガスセンサの異常判別手段による断線であるとの判断に基づいて、燃料ガスの供給を遮断する構成を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、湿度検出手段を有し、
前記湿度検出手段は、前記可燃性ガスセンサにおける異常判別手段が短絡であると判断した場合、該湿度検出手段の値に基づいて、短絡の原因が結露によるものかどうかを判断する構成を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、乾燥手段を有し、
前記乾燥手段は、前記可燃性ガスセンサの異常判別手段が短絡と判断した場合に、前記湿度検出手段の判断に基づいて作動し、システムを乾燥させる構成を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池システム中の相対的に温度が高い箇所と前記可燃性ガスセンサとの間に、伝熱部材を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池システム中の相対的に温度が高い箇所が、前記燃料電池であることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池システム中の相対的に温度が高い箇所が、前記燃料タンクであり、
前記燃料タンクが、前記燃料の供給に伴って温度上昇する燃料タンクであることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池システム中の相対的に温度が低い箇所と前記可燃性ガスセンサとの間に、断熱部材を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池システム中の相対的に温度が低い箇所が、前記燃料タンクであり、
前記燃料タンクが、燃料の供給に伴って温度低下する燃料タンクであることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池システム中の相対的に温度が低い箇所と前記可燃性ガスセンサとの間に、水分凝縮部を有し、
前記水分凝縮部は、伝熱部材を介して前記システム中の相対的に温度が低い箇所と接続されていることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサの異常検出方法は、可燃性ガスセンサの異常を検出する可燃性ガスセンサの異常検出方法あって、
外部環境の変化を補償するための補償器と、可燃性ガスの濃度を検出する検出器と、によってブリッジが形成されてなる検出回路と、前記検出回路を流れる電流を計測する電流計測手段と、を構成し、
前記電流計測手段によって前記検出回路を流れる電流を計測し、前記可燃性ガスセンサの異常を検出することを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサの異常検出方法は、前記電流の計測が、前記電流計測手段を構成する前記ブリッジに直列に挿入された固定抵抗における両端の電圧の測定によることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサの異常検出方法は、前記固定抵抗が、前記ブリッジの抵抗の１／１００００以上、１／５０以下であることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサの異常検出方法は、前記固定抵抗の両端の電圧の測定によって、前記検出回路を流れる電流が所定の値よりも大きければ短絡、所定の値よりも小さければ断線と判断することを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサの異常検出方法は、前記検出回路を流れる電流の測定が、前記可燃性ガスセンサの出力値が所定の範囲を超えた場合に行われることを特徴とする。
また、本発明の可燃性ガスセンサの異常検出方法は、前記検出回路には、前記ブリッジの抵抗を計測する手段が構成され、
前記ブリッジの抵抗を計測する手段によって、前記検出回路を流れる電流と、前記ブリッジ両端の印加電圧と、を計測することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムの制御方法は、可燃性ガスセンサと燃料電池と燃料タンクとを具備する燃料電池システムの制御方法であって、
前記可燃性ガスセンサとして上記したいずれかに記載の可燃性ガスセンサを用い、可燃性ガスセンサの異常を検出することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムの制御方法は、前記燃料電池システムが、前記燃料タンクから前記燃料電池への燃料供給を制御する燃料供給制御手段を有し、
前記可燃性ガスセンサが断線と判断した場合には、前記燃料供給制御手段により燃料の供給を遮断することを特徴ととする。
また、本発明の燃料電池システムの制御方法は、前記燃料電池システムが、湿度検出手段を有し、
前記可燃性ガスセンサが短絡と判断した場合には、前記湿度検出手段の値に基づき、短絡の原因が結露によるものかどうかを判断することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムの制御方法は、前記燃料電池システムが、乾燥手段を有し、
前記燃料電池システムが前記可燃性ガスセンサが短絡と判断した場合、あるいは結露と判断した場合には、前記乾燥手段によって、システムを乾燥させることを特徴とする。

本発明によれば、定電流電源を必要とせずに、異常が断線によるものか、短絡によるものかを短時間で判断することが可能となる、
可燃性ガスセンサ、該ガスセンサを備えた燃料電池システム、及び可燃性ガスセンサの異常検出方法、該異常検出方法を用いた燃料電池システムの制御方法を実現することができる。
これにより、システムを小型化できるとともに、センサが断線するような衝撃が加わった際に、システムを確実かつ迅速に停止することが可能になる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１におていは、本発明を適用した接触燃焼式による可燃性ガスセンサについて説明する。
図１に、本実施例における接触燃焼式による可燃性ガスセンサの検出回路を示す。
図１において、１は補償器、２は検出器、３は第１固定抵抗、４は第２固定抵抗、５は異常判別抵抗、６は電源である。

本実施例の可燃性ガスセンサは、接触燃焼式であり、外部環境の変化を補償するための補償器（補償素子）１と、可燃性ガスの濃度を検出する検出器（検出素子）２を有し、これらによってブリッジが形成された検出回路が構成されている。
すなわち、補償器（補償素子）１および検出器（検出素子）２は、第１固定抵抗３（抵抗：Ｒ_１）、第２固定抵抗４（抵抗：Ｒ_２）と共に、ホイートストンブリッジを形成している。さらに、回路の微調整のために可変抵抗を挿入しておいても良い。
本実施例における可燃性ガスセンサの検出回路は、定電圧電源６から電気を供給することにより駆動される。
センサの出力は、出力端子ａ、ｂ間の電位Ｖ_ａｂを測定することにより得られる。

また、前記検出回路には、該検出回路を流れる電流を計測する手段が構成され、検出回路を流れる電流を計測する手段が、前記ブリッジに直列に挿入された固定抵抗と、前記固定抵抗の両端の電圧を測定する手段によって構成される。
すなわち、このような電流計測をする手段として、異常判別抵抗５（抵抗：Ｒ_ｓ）をホイートストンブリッジと直列に挿入し、異常判別抵抗５の両端の電圧Ｖ_ｓを測定することにより、回路に流れる電流を算出する構成を採ることができる。例えば、補償器１、および検出器２の室温、ガス濃度０ｐｐｍでの電気抵抗Ｒ_Ｃ、Ｒ_Ｄを、それぞれ、５Ωとする。
補償器１および検出器２には、センサの信号を検出するとともに、素子自体を加熱するためのヒーターとしての役割がある。
ヒーターの到達温度が一定レベルになるように、第１固定抵抗３および第２固定抵抗４には、補償器１および検出器２を流れる電流に対して、十分に小さな電流が流れるように、大きな抵抗を選ぶことが好ましい。
例えば、Ｒ_１、Ｒ_２は、５００Ωとすることができる。この時、ブリッジの合成抵抗Ｒ_ｂは以下の式で表され、９．９Ω程度となる。
Ｒ_ｂ＝１／（１／（Ｒ_Ｃ＋Ｒ_Ｄ）＋１／（Ｒ_１＋Ｒ_２））
これに対し、異常判別抵抗５には、検出器や補償器の抵抗が変化しても、ブリッジにかかる電位が大きく変化しないように、十分に小さなものである必要がある。
但し、あまり小さくしすぎると、Ｒ_ｓ両端の電位の検出が困難になるため、Ｒ_ｓは、ブリッジ抵抗の１／１００００以上１／５０以下程度にすることが好ましい。ここでは、Ｒ_ｓを０．１Ωとする。

センサの駆動電圧をＶ_０とすると、Ｒ_ｓ両端の電圧Ｖ_ｓは、以下の式で表される。
Ｖ_Ｓ＝Ｖ_０Ｒ_Ｓ／（Ｒ_Ｓ＋Ｒ_ｂ）
ここで、センサの駆動電圧Ｖ_０を２．５Ｖとすると、電圧Ｖ_ｓは、正常時２５ｍＶ程度である。
一方、補償器１、検出器２の少なくとも一方が断線した際にはＶ_ｓは０．２５ｍＶ、補償器１、あるいは、検出器２が短絡した際には４９ｍＶとなる。
従って、Ｖ_ｓを計測することにより、センサの断線、短絡を判別することができる。
尚、Ｒ_ｓが小さく、信号が弱い場合には、増幅回路により増幅された信号を測定しても良い。

可燃性ガスを水素とした場合、水素の爆発下限界（ＬＥＬ）は約４ｖｏｌ％である。
従って、水素が漏洩した際に警報を発報する濃度は爆発下限界濃度の１／４、すなわち、１ｖｏｌ％程度に設定することが好ましい。本可燃性ガスセンサの出力Ｖ_ａｂは、可燃性ガスが存在しなければ０Ｖ、１％の水素で３０ｍＶ程度である。
補償器１が断線、あるいは、検出器２が短絡した場合には、
Ｖ_ａｂ＝−Ｖ_０Ｒ_１／（Ｒ_１＋ Ｒ_２）
となる。
また、補償器１が短絡、あるいは、検出器２が断線した場合には、
Ｖ_ａｂ＝Ｖ_０ Ｒ_２／（Ｒ_１＋ Ｒ_２）
となる。
従って、いずれの異常の場合にも、出力は入力電圧の約１／２、すなわち、±１．２５Ｖ程度となり、通常の出力（０〜３０ｍＶ程度）から大きく外れた値が検出される。

そこで、前記異常判別手段は、可燃性ガスセンサの出力値が所定の範囲を超えたことを検出し、この出力検出の結果に基づいて作動するように構成することができる。
すなわち、上述の異常判別をセンサ出力が正常範囲内にある場合には行わず、異常値が検出された場合にのみ、異常状態と見なし、異常が短絡によるものか、断線によるものか判別するように構成することができる。
このようにすることで、通常はブリッジを流れる電流を測定しなくて済むので、回路の低消費電力化を図ることができる。また、センサの出力が増幅回路によって増幅されている場合には、増幅後の出力をもとに、異常を検出しても良い。
尚、可燃性ガスセンサの駆動に用いる電源は、定電圧であることが好ましいが、簡易的には、電池などから供給しても良い。

また、本実施例では、電流検出に異常判別抵抗５の両端の電圧を用いたが、その他の電流測定方法を用いても良い。
また、断線か短絡かの判別方法として、電流を測定するかわりに、ブリッジ全体の抵抗を測定してもよい。
その際、このブリッジ全体の抵抗を計測する手段は、前記検出回路を流れる電流を計測する手段と、前記ブリッジ両端の印加電圧を計測する手段と、によって構成することができる。

［実施例２］
実施例２においては、本発明の可燃性ガスセンサ（水素センサ）を燃料電池システムに搭載した構成例について説明する。
図２に、本実施例における可燃性ガスセンサ（水素センサ）の概要を説明する図を示す。
また、図３に、本実施例における可燃性ガスセンサ（水素センサ）を燃料電池システムに搭載した構成例の概要を説明する図を示す。
図２および図３において、１１は燃料電池セル、１２は電極、１３は通気孔、１４は燃料タンク、１５は燃料供給バルブである。
１６は酸化剤極、１７は高分子電解質膜、１８は燃料極、１９はパージバルブ、２０はコントローラ、２１は可燃性ガスセンサ（水素センサ）である。

本燃料電池システムは、燃料（可燃性ガス）として水素を、酸化剤として空気を使用した場合について説明するが、本発明は水素、空気に限定されるものではなく、これら以外のものも使用することができる。
本実施例の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、通気孔１３を有する。
また、この孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。
また、燃料電池内部は、酸化剤極１６、高分子電解質膜１７、燃料極１８からなる燃料電池セル１１と、燃料を貯蔵する燃料タンク１４、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぎ、燃料の流量を制御する燃料供給バルブ１５によって構成されている。
また、燃料の漏洩を検出するための可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１が設置されており、センサの信号を元にコントローラ２０により、燃料供給バルブ１５を制御することができる。

タンクに蓄えられた水素は燃料供給バルブ１５が開くと、燃料極１８に供給される。
一方、酸化剤極１６には通気孔１３から外気が供給される。燃料電池セルの高分子電解質膜１７を介して、酸化剤極１６、燃料極１８にはそれぞれ、白金などの触媒が配置されており、電気化学反応が起こる。
反応に伴い、発電された電気は電極１２から小型電気機器に供給される。
燃料タンク１４と燃料電池セル１１との間のコネクタ不良、電解質膜１７の破断などにより、燃料ガスが漏洩した場合には、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１が漏洩を検出する。
そして、所定の濃度以上（通常は１ｖｏｌ％程度）の場合には、ユーザーに知らせると共に、燃料遮断手段である燃料供給バルブ１５を遮断し、発電を停止する。
可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の設置位置は、コネクタや電解質膜１７など漏洩の可能性が高い場所の近傍や、燃料ガスが水素の場合には、空気よりも軽いので、筐体内上方、あるいは、通気孔１３の近傍などが好ましい。
また、燃料電池の始動時や停止時、運転中にパージ動作を行うためのパージバルブ１９を備えていても良い。
その際、パージバルブ１９からの排出部に可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１を配置して、燃料ガスの濃度を監視することで、パージバルブ１９を開閉するタイミングやパージバルブ１９の流量を制御することもできる。

可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１は、実施例１で詳述した異常検出手段を備えている。
ここで、本実施例の異常検出手段による異常検出方法について説明する。
図４に、本実施例の異常検出手段による異常検出方法を説明するフローチャートを示す。
図４に示すように、まず、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の出力が所定の範囲内か否かを判断する（Ｓ１）。
所定の範囲内でないと判断された場合、つぎのステップにおいて、ブリッジを流れる電流が正常であるか否かを判断する（Ｓ２）。
ブリッジを流れる電流が少ないと判断された場合には、断線であると判断され（Ｓ３−１）、ユーザーに知らせると共に、燃料供給制御手段である燃料供給バルブ１５を遮断し、発電を停止する（Ｓ４）。
一方、ブリッジを流れる電流が多いと判断された場合には、短絡であると判断され（Ｓ３−２）、短絡であることをユーザーに知らせる。この場合には、燃料電池の発電は、停止しても良いし、継続してもよい。
また、実施例１の場合と同様に、異常の判別は、可燃性ガス（水素）センサ２１の出力が異常であった場合に初めて行っても良い。

燃料電池の発電反応は発熱反応であるので、燃料電池セル１１からの排気は通常、周囲の温度よりも高い。
また、生成する水によって加湿された状態にある。従って、可燃性ガス（水素）センサ２１の温度が排気温度よりも低いと、センサは結露しやすくなる。
特に、燃料タンク１４内に水素吸蔵合金を充填して用いている場合には、水素放出反応が吸熱反応であるため、燃料タンク１４表面の温度は環境温度よりも数℃程度低くなる。
従って、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１を燃料タンク１４近傍に設置した場合には、センサの結露が起こりやすい。

つぎに、このようなセンサの結露を抑制するようにした構成例について、図５、図６及び図７を用いて説明する。
図５に、本実施例における可燃性ガスセンサ（水素センサ）の結露を抑制するため断熱部材を有する構成とした燃料電池の構成例を説明する図を示す。
図５（ａ）に示すように、燃料タンク１４と可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１との間に断熱部材３１を設けることで、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の結露を起こりにくくすることができる。
また、図５（ｂ）に示すように、燃料タンク１４が燃料電池筐体３３などと熱的に接続されており、それを介して可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１が温度低下する場合にも、これら筐体３３とセンサ２１との間に断熱部材３１を設けるようにしてもよい。
これにより、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の結露を起こりにくくすることができる。
燃料タンク１４以外にも、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１が燃料電池システム中の相対的に温度の低い箇所近傍に設けられる場合には、断熱部材３１を用いることが好ましい。

また、図６に可燃性ガスセンサ（水素センサ）の結露を抑制するため伝熱部材を有する構成とした燃料電池の構成例を説明する図を示す。
可燃性ガス（水素）センサ２１を燃料電池セル１１近傍に設置した場合には、図６（ａ）に示すように燃料電池セル１１と可燃性ガス（水素）センサ２１との間に伝熱部材３２を設けるようにしてもよい。
これにより、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の温度を上げ、結露を起こりにくくすることができる。
また、図６（ｂ）に示すように、燃料電池セル１１が燃料電池筐体３３などと熱的に接続されている場合にも、これら筐体３３とセンサ２１との間に伝熱部材３２を設けることで、可燃性ガス（水素）センサ２１の結露を起こりにくくすることができる。
また、燃料タンクにケミカルハイドライドなどの水素供給に発熱反応を伴う材料を充填して用いる場合には、図５（ａ）、図５（ｂ）における断熱部材３１のかわりに伝熱部材３２を用いるようにしてもよい。
これにより、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の温度を上げ、結露を起こりにくくすることができる。
その他、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１が燃料電池システム中の相対的に温度の高い箇所近傍に設けられる場合には、伝熱部材３２を用いることが好ましい。

また、図７に可燃性ガスセンサ（水素センサ）の結露を抑制するため水分凝縮部を有する構成とした燃料電池の構成例を説明する図を示す。
可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の結露を防止する方法として、ガスがセンサに触れる前に温度を下げて、水分を凝縮させるように構成することができる。
例えば、図７に示すように、水分凝縮部３４を可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１と流路との間に設けるようにすることができる。
さらに、水分凝縮部３４の温度を下げるため、燃料電池システム中の相対的に温度が低い箇所との間に伝熱部材３２を設けるようにしてもよい。
相対的に温度が低い箇所には、例えば、水素吸蔵合金を充填した場合の燃料タンク１４などがある。
尚、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１は、補償器１によって、環境温度の影響を受けにくくしているが、その影響を完全になくすことは難しい。
そこで、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の構成を、燃料電池が定格運転している際の温度に合わせて行うようにしてもよい。
さらには、燃料電池停止時（あるいは小出力発電時）と定格発電時（あるいは大出力発電時）で、それぞれ別の校正値を用いて、可燃性ガス濃度の測定精度を高めても良い。

［実施例３］
実施例３においては、実施例２の燃料電池システムに、更に、系内の湿度検出をするための湿度センサと、より多くの空気を供給し、水蒸気を排出するためのファンと、を備えた燃料電池システム構成例について説明する。
図８に、本実施例における可燃性ガスセンサ（水素センサ）を燃料電池システムに搭載した構成例の概要を説明する図を示す。
図８には図１の実施例１と同じ構成に同一の符号が付されているので、共通する部分の説明は省略する。
図８において、２２は湿度センサ、２３はファンである。
本実施例において、通常状態での燃料電池の運転は、実施例２と同様であるが、湿度センサ２２によって湿度が高い場合にはファン２３の風量を増加させ、湿度が低い場合には、風量を減少させる制御を行うことにより、システムの安定性を高めている。

つぎに、本実施例の異常検出手段による異常検出方法について説明する。
図９に、本実施例の異常検出手段による異常検出方法を説明するフローチャートを示す。
図９に示すように、まず、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の出力が所定の範囲内か否かを判断する（Ｓ１１）。
可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の異常の検知に際し（Ｓ１２）、ブリッジを流れる電流が多い場合には、異常の原因が短絡によるものだと判別され（Ｓ１３−２）る。
そして、湿度センサ２２の値を参照して（Ｓ１３−３）、環境湿度が高ければ、短絡の原因が結露によるものであると判断される（Ｓ１３．３（Ａ））。
この場合、結露の旨をユーザーに知らせると共に、ファン２３によってシステムを乾燥させ、結露状態から復帰しやすくする（Ｓ１３．４（Ａ））。
また、短絡の原因が結露でない場合には、故障であると判断し（Ｓ１３．３（Ｂ））、その旨をユーザーに知らせると共に運転を停止する（Ｓ１３．４（Ｂ））。
あるいは、湿度センサ２２の信号を元に、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１が結露する前に、湿度が高くなった際にファン２３の風量を増加させることによってシステムを乾燥させ、結露状態を回避することも可能である。
一方、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の異常の検知に際し（Ｓ１２）、ブリッジを流れる電流が少ない場合には、断線であると判断され（Ｓ１３−１）る。
そして、ユーザーに知らせると共に、燃料供給制御手段である燃料供給バルブ１５を遮断し、発電を停止する（Ｓ１４）。

また、湿度センサ２２を具備しないシステムの場合には、可燃性ガスセンサ（水素センサ）２１の異常検出によって、湿度を監視することも可能である。
すなわち、可燃性ガス（水素）センサ２１が短絡したと判別された場合に、結露が起こっていると判断し、ファン２３の風量を増加させるなどして、燃料電池セル１１の流路が結露によって閉塞する（フラッディング）のを回避することができる。

以上詳述した通り、本発明は、燃料漏洩検知のため、補償素子と検出素子とでブリッジを組んで、出力を得るタイプの可燃性ガスセンサモジュールの異常検出に関するものである。
可燃性ガスセンサが故障時に発生する出力値を記憶しておき、該出力値が検出された場合には、異常状態（断線、あるいは、短絡）であると判断する。
さらに、前記可燃性ガスセンサモジュールの回路を流れる電流、あるいは、ブリッジの抵抗を計測する手段を有することにより、検出電流値から異常が断線か短絡（結露）かの判別を行う。
特に、本可燃性ガス異常検出手段を具備した燃料電池システムにおいては、断線と判断された場合には、直ちに燃料電池を停止する。
また、燃料電池システム中の湿度センサの信号との比較により、センサ短絡時にショートか結露かの判別を行ったり、ファンの制御により、結露状態からの復帰を行う。
これにより、可燃性ガスセンサの異常発生時に、異常原因が断線なのか、短絡なのかを短時間で判別することができ、燃料が漏洩するほどの衝撃を受けた場合等において、速やかに燃料電池を停止し、燃料供給を停止することが可能になる。

本発明の実施例１における可燃性ガスセンサの検出回路である。 本発明の実施例２における可燃性ガスセンサ（水素センサ）の概要を説明する図。 本発明の実施例２における可燃性ガスセンサ（水素センサ）を燃料電池システムに搭載した構成例の概要を説明する図。 本発明の実施例２における異常検出手段による異常検出方法を説明するフローチャート。 本発明の実施例２における可燃性ガスセンサ（水素センサ）の結露を抑制するため断熱部材を有する構成とした燃料電池の構成例を説明する図。 本発明の実施例２における可燃性ガスセンサ（水素センサ）の結露を抑制するため伝熱部材を有する構成とした燃料電池の構成例を説明する図。 本発明の実施例２における可燃性ガスセンサ（水素センサ）の結露を抑制するため水分凝縮部を有する構成とした燃料電池の構成例を説明する図。 本発明の実施例３における燃料電池システムの概要を説明する図。 本発明の実施例３における異常検出手段による異常検出方法を説明するフローチャート。

符号の説明

１：補償器（補償素子）
２：検出器（検出素子）
３：第１固定抵抗
４：第２固定抵抗
５：異常判別抵抗
６：電源
１１：燃料電池セル
１２：電極
１３：通気孔
１４：燃料タンク
１５：燃料供給バルブ
１６：酸化剤極
１７：高分子電解質膜
１８：燃料極
１９：パージバルブ
２０：コントローラ
２１：可燃性ガスセンサ（水素センサ）
２２：湿度センサ
２３：ファン
３１：断熱部材
３２：伝熱部材
３３：筐体
３４：水分凝縮部

Claims (26)

1. 可燃性ガスセンサであって、
   外部環境の変化を補償するための補償器と、可燃性ガスの濃度を検出する検出器と、によってブリッジが形成されてなる検出回路が構成され、
   前記検出回路は、該検出回路を流れる電流を計測する手段を有することを特徴とする可燃性ガスセンサ。
2. 前記検出回路を流れる電流を計測する手段が、前記ブリッジに直列に挿入された固定抵抗と、前記固定抵抗の両端の電圧を測定する手段と、
   によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
3. 前記固定抵抗が、前記ブリッジの抵抗の１／１００００以上、１／５０以下であることを特徴とする請求項２に記載の可燃性ガスセンサ。
4. 前記検出回路を流れる電流を計測する手段は、前記固定抵抗の両端の電圧を測定する手段によって、
   前記検出回路を流れる電流が所定の値よりも大きければ短絡と判断し、所定の値よりも小さければ断線と判断する異常判別手段を構成していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の可燃性ガスセンサ。
5. 前記異常判別手段は、可燃性ガスセンサの出力値が所定の範囲を超えたことを検出する手段による出力検出に基づいて、作動するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の可燃性ガスセンサ。
6. 前記検出回路は、前記ブリッジの抵抗を計測する手段を有し、
   前記ブリッジの抵抗を計測する手段は、前記検出回路を流れる電流を計測する手段と、前記ブリッジ両端の印加電圧を計測する手段と、によって構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の可燃性ガスセンサ。
7. 可燃性ガスセンサと燃料電池と燃料タンクとを有する燃料電池システムであって、
   前記可燃性ガスセンサとして、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の可燃性ガスセンサを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記燃料電池システムは、燃料遮断手段を有し、
   前記燃料遮断手段は、前記可燃性ガスセンサの異常判別手段による断線であるとの判断に基づいて、燃料ガスの供給を遮断する構成を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池システムは、湿度検出手段を有し、
   前記湿度検出手段は、前記可燃性ガスセンサにおける異常判別手段が短絡であると判断した場合、該湿度検出手段の値に基づいて、短絡の原因が結露によるものかどうかを判断する構成を有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池システムは、乾燥手段を有し、
    前記乾燥手段は、前記可燃性ガスセンサの異常判別手段が短絡と判断した場合に、前記湿度検出手段の判断に基づいて作動し、システムを乾燥させる構成を有することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池システム中の相対的に温度が高い箇所と前記可燃性ガスセンサとの間に、伝熱部材を有することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池システム中の相対的に温度が高い箇所が、前記燃料電池であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池システム中の相対的に温度が高い箇所が、前記燃料タンクであり、
    前記燃料タンクが、燃料の供給に伴って温度上昇する燃料タンクであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
14. 前記燃料電池システム中の相対的に温度が低い箇所と前記可燃性ガスセンサとの間に、断熱部材を有することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料電池システム中の相対的に温度が低い箇所が、前記燃料タンクであり、
    前記燃料タンクが、燃料の供給に伴って温度低下する燃料タンクであることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 前記燃料電池システム中の相対的に温度が低い箇所と前記可燃性ガスセンサとの間に、水分凝縮部を有し、
    前記水分凝縮部は、伝熱部材を介して前記システム中の相対的に温度が低い箇所と接続されていることを特徴とする請求項７乃至１０に記載の燃料電池システム。
17. 可燃性ガスセンサの異常を検出する可燃性ガスセンサの異常検出方法あって、
    外部環境の変化を補償するための補償器と、可燃性ガスの濃度を検出する検出器と、によってブリッジが形成されてなる検出回路と、前記検出回路を流れる電流を計測する電流計測手段と、を構成し、
    前記電流計測手段によって前記検出回路を流れる電流を計測し、前記可燃性ガスセンサの異常を検出することを特徴とする可燃性ガスセンサの異常検出方法。
18. 前記電流の計測が、前記電流計測手段を構成する前記ブリッジに直列に挿入された固定抵抗における両端の電圧の測定によることを特徴とする請求項１７に記載の可燃性ガスセンサの異常検出方法。
19. 前記固定抵抗が、前記ブリッジの抵抗の１／１００００以上、１／５０以下であることを特徴とする請求項１８に記載の可燃性ガスセンサの異常検出方法。
20. 前記固定抵抗の両端の電圧の測定によって、前記検出回路を流れる電流が所定の値よりも大きければ短絡、所定の値よりも小さければ断線と判断することを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の可燃性ガスセンサの異常検出方法。
21. 前記検出回路を流れる電流の測定が、前記可燃性ガスセンサの出力値が所定の範囲を超えた場合に行われることを特徴とする請求項２０に記載の可燃性ガスセンサの異常検出方法。
22. 前記検出回路には、前記ブリッジの抵抗を計測する手段が構成され、
    前記ブリッジの抵抗を計測する手段によって、前記検出回路を流れる電流と、前記ブリッジ両端の印加電圧と、を計測することを特徴とする請求項１７乃至２１のいずれか１項に記載の可燃性ガスセンサの異常検出方法。
23. 可燃性ガスセンサと燃料電池と燃料タンクとを具備する燃料電池システムの制御方法であって、
    前記可燃性ガスセンサとして請求項１７乃至２２のいずれか１項に記載の可燃性ガスセンサを用い、可燃性ガスセンサの異常を検出することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
24. 前記燃料電池システムが、前記燃料タンクから前記燃料電池への燃料供給を制御する燃料供給制御手段を有し、
    前記可燃性ガスセンサが断線と判断した場合には、前記燃料供給制御手段により燃料の供給を遮断することを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システムの制御方法。
25. 前記燃料電池システムが、湿度検出手段を有し、
    前記可燃性ガスセンサが短絡と判断した場合には、前記湿度検出手段の値に基づき、短絡の原因が結露によるものかどうかを判断することを特徴とする請求項２３または請求項２４に記載の燃料電池システムの制御方法。
26. 前記燃料電池システムが、乾燥手段を有し、
    前記燃料電池システムが前記可燃性ガスセンサが短絡と判断した場合、あるいは結露と判断した場合には、前記乾燥手段によって、システムを乾燥させることを特徴とする請求項２３乃至２５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。

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