JP2013196905A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】カソードオフガス流路に設けられた水素センサのシリコン等による被毒を抑制する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】カソードを有し、カソードにカソードガスが供給されることで発電する燃料電池スタック１１０と、カソードから排出されたカソードオフガスが通流するカソードオフガス流路と、カソードオフガス流路に設けられ、カソードオフガス中の水素を検出する水素センサ１０と、水素センサ１０よりも上流のカソードオフガス流路に接続し、水素センサ１０に向かうカソードオフガスを希釈するための希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入流路と、水素センサ１０の被毒を抑制するように、希釈用ガス導入流路からカソードオフガス流路に導入する希釈用ガスの流量を可変する希釈用ガス流量可変手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、カソードオフガス流路に水素センサを備える燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池車等の電源として、水素（アノードガス）及び酸素を含む空気（カソードガス）が供給されることで発電する燃料電池が注目されている。ところが、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスには発電で消費されなかった水素を含むため、例えば、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスに合流させ、カソードオフガスで水素を良好に希釈した後、車外（外気、外部）に排出される。そして、水素を希釈したカソードオフガスが通流するカソードオフガス流路には水素センサが設けられ、車外に排出される水素濃度が監視される。なお、水素センサは、例えば接触燃焼式で構成される。

ところで、このように通流するカソードオフガスには、大気中から混入するシリコンや、カソードオフガス流路等を構成するために使用されているシール材中のシリコンが含まれている。そして、このシリコンが、水素センサを構成し水素を燃焼させる触媒（Ｐｔ等）に付着してしまうと、つまり、シリコン被毒してしまうと、水素の検出感度が低下し、水素センサが劣化してしまう。このように水素センサを被毒する被毒物質は、シリコンの他、硫黄化合物、フッ素化合物が知られている。

そこで、水素センサの近傍においてガスの出入口となる流路を、ラビリンス状（蛇行状）で構成し、ラビリンス状部分にシリコンを除去するシリコン除去材（Ｐｔ、Ｐｔ化合物等）から形成されたシリコン除去層を設ける技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−３２９６３１号公報

ところで、燃料電池は発電に伴ってカソードで水分（水蒸気）を生成するので、カソードオフガスの湿度は、結露水が生成するほど高くなる。そして、前記したシリコン除去層が、高湿のカソードオフガスに曝されてしまうと、シリコン除去層のシリコン除去性能が低下してしまい、水素センサがシリコン被毒してしまう虞がある。

また、カソードオフガスの流速は、モータ等の負荷が燃料電池に要求する負荷要求量に対応して変動する。したがって、例えば、負荷要求量が大きく、カソードオフガスの流速が高い場合、シリコン除去層によるシリコン除去性能が不足し、水素センサがシリコン被毒してしまう虞がある。

そこで、本発明は、カソードオフガス流路に設けられた水素センサのシリコン等の被毒物質による被毒を抑制する燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、カソードを有し、前記カソードにカソードガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記カソードから排出されたカソードオフガスが通流するカソードオフガス流路と、前記カソードオフガス流路に設けられ、カソードオフガス中の水素を検出する水素センサと、前記水素センサよりも上流の前記カソードオフガス流路に接続し、前記水素センサに向かうカソードオフガスを希釈するための希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入流路と、前記水素センサの被毒を抑制するように、前記希釈用ガス導入流路から前記カソードオフガス流路に導入する希釈用ガスの流量を可変する希釈用ガス流量可変手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

このような構成によれば、希釈用ガスが、希釈用ガス導入路から水素センサよりも上流のカソードオフガス流路に導入され、カソードオフガスが希釈用ガスで希釈される。これにより、カソードオフガスに含まれるシリコン、硫黄、フッ素等の水素センサを被毒する被毒物質の濃度が低下する。そして、このようにシリコン等の被毒物質の濃度が低下したカソードオフガスが、水素センサに供給されるので、シリコン等の被毒物質による水素センサの被毒が抑制され、水素センサの寿命が長くなる。

また、希釈用ガス流量可変手段が、水素センサの被毒を抑制するように、希釈用ガス導入流路からカソードオフガス流路に導入する希釈用ガスの流量を可変する。すなわち、希釈用ガス流量可変手段が、カソードオフガスに含まれるシリコン等の被毒物質が多く、その濃度が高くなるにつれて、希釈用ガスの流量を増加することにより、カソードオフガス（被毒物質）を希釈し、被毒物質の濃度を低下させ、水素センサの被毒を抑制できる。
さらに、前記したラビリンス状の流路やシリコン除去層が不要となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記希釈用ガス流量可変手段は、前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量が少なくなるにつれて、希釈用ガスの流量を増加することが好ましい。

ここで、カソードガスの流量が少なくなると、カソードオフガスの流量も少なくなり、カソードオフガス中のシリコン等の被毒物質の濃度が高くなってしまい、水素センサが被毒し易くなる。
そこで、このような構成によれば、希釈用ガス流量可変手段が、燃料電池に供給されるカソードガスの流量が少なくなるにつれて、希釈用ガスの流量を増加させるので、カソードオフガス中のシリコン等の被毒物質の濃度を低下し、水素センサの被毒を抑制できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記水素センサを被毒する要因であって、カソードオフガスに含まれる被毒物質の量は、前記燃料電池の累積発電量又はシステムの累積作動時間で異なり、前記希釈用ガス流量可変手段は、前記燃料電池の累積発電量又はシステムの累積作動時間に基づいて、希釈用ガスの流量を可変することが好ましい。

このような構成によれば、希釈用ガス流量可変手段が、燃料電池の累積発電量又はシステムの累積作動時間に基づいて、水素センサの被毒を抑制するように、希釈用ガスの流量を可変できる。

すなわち、事前試験等によって、燃料電池の累積発電量又はシステムの累積作動時間が小さく（短く）なるにつれて、カソードオフガスに含まれるシリコン等の被毒物質の濃度が高くなる傾向である場合、燃料電池の累積発電量又はシステムの累積作動時間が小さく（短く）なるにつれて、希釈用ガス流量可変手段が希釈用ガスの流量を増加する構成とすればよい。
逆に、事前試験等によって、燃料電池の累積発電量又はシステムの累積作動時間が大きく（長く）なるにつれて、カソードオフガスに含まれるシリコン等の被毒物質の濃度が高くなる傾向である場合、燃料電池の累積発電量又はシステムの累積作動時間が大きく（長く）なるにつれて、希釈用ガス流量可変手段が希釈用ガスの流量を増加する構成とすればよい。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記水素センサは、その検知素子に付着した被毒物質を除去可能であるクリーニング可能型で構成され、前記水素センサをクリーニングするクリーニング手段を備え、前記クリーニング手段による前記水素センサのクリーニング中、前記希釈用ガス流量可変手段は、希釈用ガスの流量を増加することが好ましい。

このような構成によれば、クリーニング手段による水素センサのクリーニング中、希釈用ガス流量可変手段が、希釈用ガスの流量を増加する。これにより、シリコン等の被毒物質の濃度が低い状況となるので、被毒物質が検知素子から除去（脱離）され易くなる。

また、前記燃料電池システムにおいて、カソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記カソードガス供給手段から前記カソードに向かうカソードガスが通流するカソードガス流路と、を備え、前記希釈用ガス導入流路の上流端は、前記カソードガス流路に接続されており、カソードガスが前記希釈用ガス導入流路を通って希釈用ガスとして導入されることが好ましい。

ここで、燃料電池は、例えば、後記する実施形態のように単セルが積層してなる燃料電池スタックで構成され、その内部には多量のシリコン材が使用される。
そこで、このような構成によれば、燃料電池を経由しないカソードガスが希釈用ガス導入流路を通って希釈用ガスとして導入される。このように燃料電池の上流のカソードガス流路から、燃料電池に供給される前のカソードガスを希釈用ガスとして導入するので、希釈用ガスにおけるシリコン等の被毒物質の濃度を低くできる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記希釈用ガス導入路の接続点よりも下流の前記カソードガス流路に設けられ、前記カソードに向かうカソードガスを加湿する加湿器を備えることが好ましい。

このような構成によれば、加湿器によってカソードに向かうカソードガスを加湿できる。ここで、加湿器は高湿のガスの漏洩を防止するためや、部品の材料として、その内部には多量のシリコン材が使用される。
そこで、加湿器は希釈用ガス導入路の接続点よりも下流のカソードガス流路に設けられた構成であるので、つまり、希釈用ガス導入路は加湿器よりも上流のカソードガス流路に接続した構成であるので、希釈用ガスにおけるシリコン等の被毒物質の濃度を低くできる。

また、前記燃料電池システムにおいて、カソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記カソードガス供給手段から前記カソードに向かうカソードガスが通流するカソードガス流路と、前記カソードガス供給手段と別であって希釈用ガスを供給する希釈用ガス供給手段と、を備え、前記希釈用ガス導入流路の上流端は前記希釈用ガス供給手段に接続されていることが好ましい。

このような構成によれば、カソードガス供給手段と別である希釈用ガス供給手段によって、希釈用ガスを導入できる。

本発明によれば、カソードオフガス流路に設けられた水素センサのシリコン等による被毒を抑制する燃料電池システムを提供できる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池スタックの累積発電量（システム累積作動時間）と、カソードオフガスへのシリコンの混入量との関係を示すグラフである。 本実施形態に係る水素センサの側断面図である。 本実施形態に係る水素センサの回路図である。 検知素子の温度（℃）と、シリコンの付着量（ｇ）との関係を示すグラフである。 燃料電池スタックの電流値（指令値又は実測値）と、空気（カソードガス）、希釈用ガスの流量と、燃料電池スタックの累積発電量（システム累積作動時間）との関係を示すマップである。 燃料電池スタックの累積発電量（システム累積作動時間）と、希釈用ガス流量の補正係数との関係を示すマップである。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 変形例に係る燃料電池システムの構成図である。 変形例に係る燃料電池システムの構成図である。

本発明の一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池車に搭載されており、燃料電池スタック１１０（燃料電池）と、燃料電池スタック１１０のアノードに対して水素（燃料ガス、アノードガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１１０のカソードに対して空気（酸化剤ガス、カソードガス）を給排するカソード系と、水素センサ１０、これらを電子制御するＥＣＵ１６０（Electronic Control Unit、制御手段）と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）と、を備えている。

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。

各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１１（燃料ガス流路）、カソード流路１１２（酸化剤ガス流路）として機能している。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク１２１（燃料ガス供給手段）と、エゼクタ１２２と、常閉型のパージ弁１２３と、水素センサ１０のクリーニング時に開かれる常閉型のクリーニング弁１２４と、を備えている。

水素タンク１２１は、高濃度（高純度）の水素を高圧（例えば３０〜７０ＭＰａ）で貯蔵するタンクである。そして、水素タンク１２１の水素は、配管１２１ａ、エゼクタ１２２、配管１２２ａを通って、アノード流路１１１に供給されるようになっている。エゼクタ１２２は、水素タンク１２１からの水素によって負圧を発生させると共に、この負圧によって後記する水素を含むアノードオフガスを吸引し、水素を循環させる装置（真空ポンプ）である。

なお、配管１２１ａには、下流に向かって、図示しない常閉型の遮断弁と減圧弁（レギュレータ）とが設けられている。遮断弁は、燃料電池システム１００（燃料電池車）の起動中（ＩＧ１５１のＯＮ中）、ＥＣＵ１６０によって開かれる。また、減圧弁は、水素タンク１２１からの水素の圧力を適宜に減圧する。

アノード流路１１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、配管１２２ｂ（水素循環ライン）を通ってエゼクタ１２２の吸気口に向かうようになっている。

配管１２２ｂは、配管１２３ａ、パージ弁１２３、配管１２３ｂを介して、後記する希釈器１３３に接続されている。そして、パージ弁１２３が、ＥＣＵ１６０によって所定の開弁時間にて開かれると、未反応の水素を含むアノードオフガスが、希釈器１３３に排出され、燃料電池スタック１１０の発電性能が回復するようになっている。

なお、ＥＣＵ１６０は、例えば、燃料電池スタック１１０を構成する単セルの電圧のうちの最低の電圧（最低セル電圧）が、所定単セル電圧以下である場合、パージ弁１２３を開く必要があると判断するように設定されている。また、ＥＣＵ１６０は、セル電圧モニタ（図示しない）を介して、複数の単セルの電圧を監視している。

＜クリーニング手段＞
配管１２１ａは、配管１２４ａ、クリーニング弁１２４、配管１２４ｂを介して、配管１３３ａに接続されている。配管１２４ｂには水素の流量を絞るためのオリフィス１２４ｃが設けられている。そして、水素センサ１０をクリーニングする必要があると判定され、ＥＣＵ１６０によってクリーニング弁１２４が開かれると、水素が、配管１２４ａ等を通って、水素センサ１０に向かうようになっている。この水素は、水素センサ１０の後記する検知素子２１（図３参照）に接触して燃焼し、燃焼熱を生成する。そして、この燃焼熱と通電による発熱とによって、検知素子２１が昇温し、検知素子２１からシリコンが脱離する、つまり、水素センサ１０がクリーニングされるようになっている（図５参照）。

ここで、水素センサ１０をクリーニングするクリーニング手段は、燃焼熱を生成し検知素子２１を昇温させる燃焼熱生成手段と、通電による発熱によって検知素子２１を昇温させる通電発熱手段と、を備えている。
燃焼熱生成手段は、クリーニング用の水素を供給する手段であって、水素タンク１２１と、配管１２４ａと、クリーニング弁１２４と、配管１２４ｂと、クリーニング弁１２４を制御するＥＣＵ１６０と、を備えて構成されている。
通電発熱手段は、図４に示すように、検知素子２１を含むブリッジ回路Ｂに電力を供給する電圧発生回路及び外部電源７０と、電圧発生回路５２を制御する制御回路５１（ＥＣＵ１６０）と、を備えて構成されている。

＜カソード系＞
図１に戻って説明を続ける。
カソード系は、コンプレッサ１３１（カソードガス供給手段）と、加湿器１３２と、希釈器１３３と、流量調整弁１３４と、を備えている。

コンプレッサ１３１は、ＥＣＵ１６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気（外気）を吸気して吐出し、吐出された空気は、配管１３１ａ、加湿器１３２、配管１３２ａを通ってカソード流路１１２に供給されるようになっている。
したがって、カソードガス供給手段からカソード流路１１２（カソード）に向かうカソードガスが通流するカソードガス流路は、配管１３１ａと、配管１３２ａとを備えて構成されている。
なお、コンプレッサ１３１は、カソードオフガスを希釈しこれに含まれるシリコン（被毒物質）を低下させる希釈用ガスを供給する希釈用ガス供給手段としても機能している。

カソード流路１１２の出口から下流に向かって、配管１３２ｂ、加湿器１３２、配管１３２ｃ、希釈器１３３、配管１３３ａが順に接続されている。カソード流路１１２（カソード）から排出されたカソードオフガスは、配管１３２ｂ、配管１３２ｃ、配管１３３ａを通って、車外に排出されるようになっている。なお、発電に伴って燃料電池スタック１１０のカソードで水分（水蒸気）が生成するので、カソードオフガスの湿度は高い。

したがって、カソードオフガスが通流するカソードオフガス流路は、配管１３２ｂと、配管１３２ｃと、配管１３３ａとを備えて構成されている。そして、このように構成されるカソードオフガス流路に、水素センサ１０が取り付けられている。

ここで、燃料電池スタック１１０及び加湿器１３２等を経由して水素センサ１０に向かうカソードオフガスには、シリコン材を含むデバイスや、カソード系の流路をシールするシール部材（Ｏリング、パッキン等）に含まれるシリコン（被毒物質）が混入している。

ここでは、図２に示すように、燃料電池スタック１１０の累積発電量が大きくなるにつれて（燃料電池システム１００の累積作動時間が長くなるにつれて）、カソードオフガスへのシリコン混入量が少なくなる場合を例示する。図２のグラフは、事前試験等において、カソードオフガスの組成を分析することで得られる。

燃料電池スタック１１０の累積発電量は、燃料電池スタック１１０の発電電力量（Ｗ・ｈ）を累積（加算）したものである。
燃料電池システム１００の累積作動時間は、燃料電池システム１００の作動時間を累積（加算）したものである。燃料電池システム１００の作動時間は、例えば、燃料電池スタック１１０の発電時間、コンプレッサ１３１のＯＮ時間、ＩＧ１５１のＯＮ時間に相当する。

図１に戻って説明を続ける。
加湿器１３２は、水分透過型の複数の中空糸膜１３２ｄを内蔵し、中空糸膜１３２ｄを介して、カソード流路１１２に向かう低湿の空気と高湿のカソードオフガスとを水分交換させることで、カソード流路１１２に向かう空気を加湿するものである。ただし、その他の種類の加湿器、例えば、バブラーを使用してもよい。

配管１３２ｃには、バタフライ弁等で構成された常開型の背圧弁（図示しない）が設けられている。背圧弁は、カソード流路１１２における空気の圧力を制御するための弁であり、その開度はＥＣＵ１６０によって制御される。

希釈器１３３は、開弁したパージ弁１２３からのアノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガスに含まれる水素を希釈する箱状容器であり、その内部に混合用（希釈用）の希釈空間を有している。そして、希釈後のガス（これもカソードオフガスとここでは称する）は、配管１３３ａを通って車外に排出されるようになっている。

＜希釈用ガス導入流路＞
配管１３１ａの途中は、配管１３４ａ、流量調整弁１３４、配管１３４ｂを介して、配管１２４ｂの接続点よりも上流の配管１３３ａに接続されている。ただし、配管１３４ｂの接続位置は、その他に例えば、配管１２４ｂと水素センサ１０との間の配管１３３ａ、配管１３２ｃでもよい。

そして、コンプレッサ１３１からの空気の一部は、加湿器１３２及び燃料電池スタック１１０をバイパスして、つまり、配管１３４ａ、配管１３４ｂを通って、希釈用ガスとして、配管１３３ａあるいは配管１３２ｃ、希釈器１３３（水素センサ１０よりも上流のカソードオフガス流路）に導入されるようになっている。

すなわち、水素センサ１０の上流のカソードオフガス流路（配管１３３ａ）に接続し、水素センサ１０に向かうカソードオフガス中のシリコン（シリコン化合物、被毒物質）等を希釈するための希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入流路は、配管１３４ａと配管１３４ｂとを備えて構成されている。そして、この希釈用ガス導入流路に、流量調整弁１３４（希釈用ガス流量可変手段）が設けられている。

このように、加湿器１３２及び燃料電池スタック１１０の上流の配管１３１ａから空気（カソードガス）の一部を分岐させ、希釈用ガスとするので、希釈用ガスにおけるシリコンの濃度を低くできる。

流量調整弁１３４は、配管１３３ａ（カソードオフガス流路）に導入される希釈用ガスの流量を可変する弁であって、例えば、バタフライ弁、ニードル弁で構成される。流量調整弁１３４の開度は、ＥＣＵ１６０によって適宜に制御される。
すなわち、希釈用ガス導入流路からカソードオフガス流路に導入する希釈用ガスの流量を可変する希釈用ガス流量可変手段は、流量調整弁１３４と、流量調整弁１３４の開度を制御するＥＣＵ１６０と、を備えて構成されている。

＜水素センサ＞
次に、図３〜図５を参照して、水素センサ１０について具体的に説明する。
水素センサ１０は、配管１３３ａを通流するカソードオフガス中の水素濃度を検出するセンサであって、ここでは接触燃焼式で構成されている。ただし、検出方式はこれに限定されず、例えば半導体方式であってもよい。
また、水素センサ１０は、クリーニング可能型、つまり、その検知素子２１に付着し検出感度を低下させるシリコン（被毒物質）を、脱離（除去）し、感度回復可能型で構成されている。

水素センサ１０は、ブリッジ回路Ｂと、制御回路５１と、電圧発生回路５２と、を備えている。ブリッジ回路Ｂの一部、制御回路５１、及び、電圧発生回路５２は、後記する基板６１上に形成された回路パターン及びこれに設けられた電子部品によって構成されている。

また、水素センサ１０は、基板６１と、基板６１を収容する薄箱状のケース６２と、ケース６２の底壁部から鉛直下向きに延びるように形成された有底円筒状のハウジング６３と、を備えている。

ケース６２は、配管１３３ａの天壁部にボルト（図示しない）によって取り付けられている。
ハウジング６３は、配管１３３ａの天壁部に形成された貫通孔に差し込まれている。そして、ハウジング６３の底壁部に形成されたガス出入口６３ａを介して、水素を含むガスが、配管１３３ａと、ハウジング６３内のガス検出室６３ｂとの間で、出入するようになっている。

ガス出入口６３ａに蓋をするように、撥水フィルタ６４及び防爆フィルタ６５が設けられている。撥水フィルタ６４は、ガス（水素）の通過を許容するが、液体（水滴）の通過を許容しないフィルタであり、例えば、テトラフルオロエチレン膜から構成される。防爆フィルタ６５は、防爆性を確保するためのフィルタであり、例えば、金属製のメッシュや多孔質体から構成される。この他、活性炭等を有しシリコンを吸着する吸着フィルタや、ガス検出室６３ｂの結露水を気化し除去するためのヒータを備える構成としてもよい。

＜水素センサ−ブリッジ回路＞
ブリッジ回路Ｂは、第１辺２０と、第２辺３０と、を備えており、第１辺２０と第２辺３０とは、電圧発生回路５２に対して並列で接続されている。

第１辺２０は、検知素子２１と補償素子２２（温度補償素子）とを備え、検知素子２１と補償素子２２とが直列に接続されることで構成されている。
検知素子２１は、基板６１から鉛直下方に延びると共に第１辺２０の一部を構成する金属製のステー２１ａ、２１ａに固定され、ガス検出室６３ｂに配置されており、ガス検出室６３ｂに露出している。これと同様に、補償素子２２は、ステー２２ａ、２２ａに固定され、ガス検出室６３ｂに配置されており、ガス検出室６３ｂに露出している。
したがって、検知素子２１の抵抗値Ｒ_２１、補償素子２２の抵抗値Ｒ_２２は、ガス検出室６３ｂの温度（環境温度、雰囲気温度）に基づいて変化することになる。

検知素子２１は、水素を触媒燃焼させる白金（Ｐｔ）や白金合金等の触媒金属から形成されており、白金（Ｐｔ）等の担持された触媒担体（触媒層）をその周面に備えていない。検知素子２１は、この触媒金属から成る線材を、コイル状に成形することで構成され、その表面は平滑な金属表面である。そして、検知素子２１の表面は触媒金属表面を構成し、この平滑な触媒金属表面（検知素子２１の表面）に水素が直接接触するようになっている。なお、検知素子２１がコイル状であることにより、水素の燃焼熱が放熱し難くなり、検知素子２１の温度が容易に上昇するようになっている。また、触媒金属としては、白金（Ｐｔ）の他に、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）や、これらの合金も使用できる。

このように検知素子２１は、触媒活性を有しており、検知素子２１自体に直接接触する水素と酸素とを触媒燃焼反応（酸化還元反応）させるようになっている。そして、水素が触媒燃焼反応すると、その燃焼熱によって検知素子２１の温度が、上昇するようになっている。
したがって、検知素子２１の温度、抵抗値Ｒ_２１は、ガス検出室６３ｂの温度と水素の燃焼熱とに基づいて、変化することになる。

補償素子２２は、触媒金属から成る線材をコイル状に成形したものの表面を、水素に対して不活性である不活性層でコーティングしたものである。不活性層は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２）等の非金属や、金（Ａｕ）等の水素と反応しない金属から形成される。これにより、補償素子２２に水素が接触しても、水素は触媒燃焼反応せず、燃焼熱は生成しない。
したがって、補償素子２２の温度、抵抗値Ｒ_２２は、ガス検出室６３ｂの温度（環境温度、雰囲気温度）のみに基づいて変化することになる。

第２辺３０は、第１抵抗素子３１（抵抗値Ｒ_３１）と第２抵抗素子３２（抵抗値Ｒ_３２）とを備え、第１抵抗素子３１と第２抵抗素子３２とが直列に接続されることで構成されている。第１抵抗素子３１及び第２抵抗素子３２は、基板６１上に設けられている。なお、第１抵抗素子３１の抵抗値Ｒ_２１、第２抵抗素子３２の抵抗値Ｒ_２２は、既知であり、固定値である。

第１辺２０の両端と、第２辺３０の両端とは、それぞれ接続されて、入力端子Ｊ１、入力端子Ｊ２を構成している。入力端子Ｊ１、入力端子Ｊ２は、電圧発生回路５２に接続されており、電圧発生回路５２で発生した電圧Ｖ_ＩＮが入力端子Ｊ１、Ｊ２（ブリッジ回路Ｂ）に印加するようになっている。そして、このように電圧発生回路５２で発生した電圧Ｖ_ＩＮが印加すると、検知素子２１に通電し、検知素子２１の温度が上昇するようになっている。

第１辺２０において、検知素子２１と補償素子２２との間の第１中間点は、出力端子Ｊ３を構成し、第２辺３０において、第１抵抗素子３１と第２抵抗素子３２との間の第２中間点は出力端子Ｊ４を構成している。出力端子Ｊ３、出力端子Ｊ４は、制御回路５１に接続されており、ブリッジ回路Ｂの電圧Ｖ_ＯＵＴ（出力）が、出力端子Ｊ３、Ｊ４を介して、制御回路５１に出力されるようになっている。

そして、水素が検知素子２１に接触し、水素の燃焼熱によって、検知素子２１の抵抗値Ｒ_２１（変化値）が変化し、検知素子２１の抵抗値Ｒ_２１が補償素子２２の抵抗値Ｒ_２２よりも大きくなると、出力端子Ｊ３の電位が出力端子Ｊ４の電位よりも高くなり、水素濃度に対応した電圧Ｖ_ＯＵＴが制御回路５１に出力され、水素濃度が検知されるようになっている。
なお、水素が検知素子２１に接触しておらず、水素の燃焼熱が生成していない場合、検知素子２１の抵抗値Ｒ_２１と補償素子２２の抵抗値Ｒ_２２とは等しく、そして、出力端子Ｊ３の電位と出力端子Ｊ４の電位とは等しくなり、電圧Ｖ_ＯＵＴは０となる。

＜水素センサ−制御回路等＞
制御回路５１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されている。そして、制御回路５１は、ＥＣＵ１６０からの指令と、その内部に記憶されたプログラムに従って、水素センサ１０を適宜に制御するようになっている。
すなわち、制御回路５１は、ＥＣＵ１６０からの指令に従って、電圧発生回路５２を作動させ、そして、ブリッジ回路Ｂからの電圧Ｖ_ＯＵＴに基づいて水素濃度を算出し、水素濃度に対応した信号をＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
ただし、この構成に限定されず、その他に例えば、ＥＣＵ１６０が電圧発生回路５２を直接制御し、ブリッジ回路Ｂの電圧Ｖ_ＯＵＴがＥＣＵ１６０に直接出力される構成でもよい。

電圧発生回路５２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えて構成され、外部電源７０（例えば１２Ｖバッテリ）と接続されている。そして、電圧発生回路５２は、制御回路５１からの指令に従って作動し、ブリッジ回路Ｂに所定電圧を印加するようになっている。

＜水素センサ−シリコンの付着量＞
ここで、本願発明者等は、図５に示すように、シリコンの雰囲気下において、白金等の触媒金属から形成された検知素子２１の温度が高くなるにつれて、検知素子２１へのシリコンの付着量（シリコン被毒量（ｇ））が増加するものの、所定の脱離温度範囲では、シリコンの付着量が減少するという知見を得ている。

これは、脱離温度範囲では、検知素子２１に付着しているシリコンが、検知素子２１から脱離しているためと考えられる。すなわち、脱離温度範囲では、シリコンの付着速度に対して、脱離速度が小さいながらも略同オーダー程度になっており、そして、最適脱離温度において脱離速度は付着速度に略等しくなり、最適脱離温度を越えると再び脱離速度よりも付着速度が大きくなる、という知見を得ている。

また、脱離温度範囲では、検知素子２１の温度が高くなるにつれて、シリコンの付着量（ｇ）が減少し、最適脱離温度で付着量が最小になるという傾向を得た。すなわち、水素センサ１０の水素の検出感度を回復させるには、検知素子２１を、脱離温度範囲、好ましくは前記最適脱離温度を含む最適脱離温度範囲（例えば、「最適脱離温度−１０℃」〜「最適脱離温度」の範囲）に昇温させる、という知見を得ている。

このような知見に基づいて、本実施形態では、水素センサ１０のクリーニング時に検知素子２１を最適脱離温度範囲に昇温させるために、検知素子２１への通電による発熱と、検知素子２１への水素の接触燃焼による燃焼熱と、を利用している。

＜電力消費系＞
図１に戻って説明を続ける。
電力消費系は、モータ１４１と、電力制御器１４２と、出力検出器１４３と、を備えている。モータ１４１は、電力制御器１４２、出力検出器１４３を介して、燃料電池スタック１１０の出力端子（図示しない）に接続されている。

モータ１４１は、燃料電池車を走行させるための駆動力を発生する電動機である。なお、モータ１４１と電力制御器１４２との間には、図示しないＰＤＵ（Power Drive Unit）が設けられている。ＰＤＵは、ＥＣＵ１６０の指令に従って、電力制御器１４２からの直流電力を三相交流電力に変換し、モータ１４１に供給するインバータである。

電力制御器１４２は、ＥＣＵ１６０の指令に従って、燃料電池スタック１１０の出力（発電電力、電流値、電圧値）を制御する機能を備えている。このような電力制御器１４２は、ＤＣ−ＤＣチョッパ回路等の各種電子回路を備えて構成される。

出力検出器１４３は、燃料電池スタック１１０の出力（電流値、電圧値）を検出する機器であり、電流センサ、電圧センサを備えている。そして、出力検出器１４３は、検出した出力（電流値、電圧値）を、ＥＣＵ１６０に出力するようになっている。

＜その他機器＞
ＩＧ１５１は、燃料電池システム１００（燃料電池車）の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ１５１はＥＣＵ１６０と接続されており、ＥＣＵ１６０はＩＧ１５１のＯＮ信号（システム起動信号）、ＯＦＦ信号（システム停止信号）を検知するようになっている。

アクセル開度センサ１５２は、アクセルペダル（図示しない）の踏み込み量であるアクセル開度を検出するセンサである。そして、アクセル開度センサ１５２は、アクセル開度をＥＣＵ１６０に出力するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ１６０は、燃料電池システム１００を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。

＜ＥＣＵ−空気の流量算出・制御機能＞
ＥＣＵ１６０は、カソード流路１１２に供給するべき空気（カソードガス）の目標空気流量を算出し、これに従ってコンプレッサ１３１の回転速度を制御する機能を備えている。具体的内容は後で説明する。

＜ＥＣＵ−希釈用ガスの流量算出・制御機能＞
ＥＣＵ１６０は、カソードオフガスに導入（合流）するべき希釈用ガス（燃料電池スタック１１０等をバイパスするカソードガス）の目標希釈用ガス流量を算出し、これに従って流量調整弁１３４の開度を制御する機能を備えている。具体的内容は後で説明する。

≪燃料電池システムの動作・効果≫
次に、図８を参照して、燃料電池システム１００の動作・効果を説明する。
なお、燃料電池システム１００は作動（運転）状態、つまり、ＩＧ１５１はＯＮ状態であり、燃料電池スタック１１０に水素及び空気が供給され、燃料電池スタック１１０は発電している。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１６０は、カソード流路１１２を通流させる空気（カソードガス）の目標空気流量を算出する。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度センサ１５２から入力されたアクセル開度に基づいて、燃料電池スタック１１０で出力すべき目標電流値（電力制御器１４２に指令する指令電流値、ＦＣ電流値）を算出する。なお、アクセル開度が大きくなると、目標電流値が大きくなる関係となっている。また、目標電流値（指令電流値）が入力された電力制御器１４２は、これに従って燃料電池スタック１１０を発電させる。

次いで、ＥＣＵ１６０は、目標電流値と図６のマップとに基づいて、目標空気流量を算出する。図６に示すように、目標電流値が大きくなるにつれて、目標空気流量が大きくなる関係となっている。図６のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ１６０に予め記憶されている。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０１で算出した目標空気流量となるように、コンプレッサ１３１の回転速度を制御する。なお、目標空気流量が大きくなると、コンプレッサ１３１の回転速度が高くなる関係となっている。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ１６０は、配管１３４ａ等を介してカソードオフガスに導入するべき目標希釈用ガス流量を算出する。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０１で算出した目標電流値と、図６のマップとに基づいて、目標希釈用ガス流量を算出する。図６に示すように、目標電流値が大きくなるにつれて、目標希釈用ガス流量が小さくなる関係となっている。

ここで、目標電流値が小さくなるにつれて、カソード流路１１２に供給される空気（カソードガス）の目標空気流量が小さくなる関係であるから、目標空気流量が小さくなるにつれて、目標希釈用ガス流量が大きくなる関係となる（図６参照）。そして、カソード流路１１２の前後（上流、下流）における空気の流量、カソードオフガスの流量は略等しく、カソードオフガスの流量が小さくなると、カソードオフガスにおけるシリコンの濃度が高くなる関係となる。

したがって、目標電流値が小さくなるにつれて（目標空気流量が小さくなるにつれて）、目標希釈用ガス流量を大きくすることにより、シリコンを希釈用ガスで良好に希釈し、シリコンの濃度を、水素センサ１０がシリコン被毒し難い程度の濃度に低下できる。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０３で算出した目標希釈用ガス流量を、燃料電池スタック１１０の累積発電量で補正（可変）する。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、燃料電池スタック１１０の累積発電量が小さくなるにつれて、希釈用ガス流量が大きくなるように補正する関係となっている。これにより、燃料電池スタック１１０の累積発電量が小さくなるにつれて多くなるシリコン（図２参照）を良好に希釈でき、シリコンの濃度を低下できる。

なお、ＥＣＵ１６０は、出力検出器１４３から入力される燃料電池スタック１１０の電流値及び電圧値と、内蔵するクロックとに基づいて、燃料電池スタック１１０の累積発電量を算出し、その内部に記憶している。この場合において、メンテナンス等によって燃料電池スタック１１０が交換された場合、燃料電池スタック１１０の累積発電量をリセットすることが好ましい。後記するシステム累積作動時間についても同様である。

その他、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０３で算出した目標希釈用ガス流量を、システム累積作動時間（ＩＧ１５１の累積ＯＮ時間）で補正（可変）する構成としてもよい。この場合、ＥＣＵ１６０は、システム累積作動時間が短くなるにつれて、希釈用ガス流量が大きくなるように補正される関係となっている。これにより、システム累積作動時間が短くなるにつれて多くなるシリコン（図２参照）を良好に希釈でき、シリコンの濃度を低下できる。

また、図７に示すように、燃料電池スタック１１０の累積発電量（システム累積作動時間）に基づいて、希釈用ガス流量の補正係数を算出し、ステップＳ１０３で算出した目標希釈用ガス流量と算出した補正係数とを乗算する構成としてもよい。希釈用ガス流量の補正係数は、燃料電池スタック１１０の累積発電量（システム累積作動時間）が小さく（短く）なるにつれて、希釈用ガス流量が大きくなるように、大きくなっている。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ１６０は、水素センサ１０のクリーニングが必要であるか否か判定する。具体的には、現在、検知素子２１に付着するシリコンの付着量が、感度を回復させるためクリーニングするべきと判断される所定付着量以上である場合、クリーニングする必要があると判定される。

ここで、検知素子２１に付着するシリコンの付着量は、水素センサ１０の使用時間、燃料電池システム１００の作動時間（ＩＧ１５１のＯＮ時間）、等と比例関係であるから、例えば、前回のクリーニングから現在までの水素センサ１０の累積使用時間や燃料電池システム１００の累積作動時間が所定時間以上である場合、クリーニングする必要があると判定される。

クリーニングする必要があると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、クリーニングする必要がないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ１６０は、水素センサ１０のクリーニングに対応して目標希釈用ガス流量を増加させる。例えば、目標希釈用ガス流量を最大流量とする。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０４で算出された補正後の目標希釈用ガス流量、又は、ステップＳ１０６で算出された増加後の目標希釈用ガス流量となるように、流量調整弁１３４の開度を制御する。これにより、シリコンの量に対応した流量の希釈用ガスがカソードオフガスに導入される。そして、希釈用ガスによってカソードオフガス中のシリコンが希釈され、シリコンの濃度が低下する。したがって、水素センサ１０のシリコン被毒を抑制できる。
なお、流量調整弁１３４の開度が大きくなるにつれて、配管１３４ａに分岐する空気（希釈用ガス）の流量が増加するので、燃料電池スタック１１０における空気不足を防止するために、コンプレッサ１３１の回転速度を高めることが好ましい。

また、ステップＳ１０６を経由している場合、ステップＳ１０７において、ＥＣＵ１６０は、水素センサ１０のクリーニング処理を実行する。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、制御回路５１にクリーニング指令を出力する。そして、制御回路５１は、外部電源７０からの電力を、クリーニングに対応した電圧に変換したうえでブリッジ回路Ｂに供給する。そうすると、検知素子２１及び補償素子２２は、通電により昇温する。

これに並行して、ＥＣＵ１６０は、クリーニング弁１２４を所定時間にて開弁し、クリーニング用の水素を、配管１３３ａを通流するカソードオフガスに導入する。導入された水素は、水素センサ１０の検知素子２１に接触して燃焼し、水素の燃焼熱によって検知素子２１は昇温する。

このようにして検知素子２１は、通電発熱及び水素の燃焼熱によって昇温し、検知素子２１の温度は図５に示す脱離温度範囲（好ましくは最適脱離温度範囲）となる。そうすると、検知素子２１に付着していたシリコンが、検知素子２１から脱離し、検知素子２１（水素センサ１０）の感度が回復する。

このような水素センサ１０のクリーニング中、希釈用ガスの流量は、ステップＳ１０６を経由したことでクリーニング用に増加している。これにより、カソードオフガスにおけるシリコンの濃度が大幅に低下しているので、検知素子２１からシリコンが脱離し易くなっている。したがって、シリコンを検知素子２１から良好に脱離させ、水素センサ１０を早期にクリーニングできる。

その後、ＥＣＵ１６０の処理はリターンを通ってスタートに戻る。

≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更してもよい。

例えば、図９に示すように、配管１３４ａ（希釈用ガス導入流路）の上流端が、加湿器１３２とカソード流路１１２との間の配管１３２ａ（カソードガス流路）に接続された構成としてもよい。

例えば、図１０に示すように、コンプレッサ１３１（カソードガス供給手段）と別であるコンプレッサ１３５（希釈用ガス供給手段）を備え、配管１３４ａ（希釈用ガス導入流路）の上流端が、コンプレッサ１３５の吐出口に接続された構成としてもよい。このような構成によれば、空気（カソードガス）の一部を分岐しないので、燃料電池スタック１１０において空気不足とならない。また、コンプレッサ１３５（希釈用ガス流量可変手段）の回転速度を可変することで、希釈用ガスの流量を可変することもできる。

前記した実施形態では、水素センサ１０の検知素子２１が白金等の触媒金属製のコイルである構成を例示したが、その他に例えば、通常の金属製（銅合金製等）の線材に球状を呈するアルミナ等製の担体が設けられ、この担体に白金等の触媒が担持して構成された検出素子でもよい。

前記した実施形態では、検知素子２１の温度を、通電による発熱と水素の燃焼熱とで昇温させる構成を例示したが、その他に例えば、通電による発熱のみで昇温させる構成、専用のヒータ等によって昇温させる構成としてもよい。

前記した実施形態では、図２に示すように、燃料電池スタック１１０の累積発電量が大きくなるにつれて（燃料電池システム１００の累積作動時間が長くなるにつれて）、カソードオフガス中のシリコン量が少なくなる場合を例示したが、これとは逆に、燃料電池スタック１１０の累積発電量が大きくなるにつれて（燃料電池システム１００の累積作動時間が長くなるにつれて）、カソードオフガス中のシリコン量が多くなる場合もある。
この場合、図８のステップＳ１０３において、燃料電池スタック１１０の累積発電量が大きくなるにつれて（燃料電池システム１００の累積作動時間が長くなるにつれて）、目標希釈用ガス流量が増加するように補正すればよい。

前記した実施形態では、燃料電池車に搭載された燃料電池システム１００を例示したが、適用箇所はこれに限定されず、例えば、定置型の燃料電池システムに組み込まれた構成でもよい。

１０ 水素センサ
２１ 検知素子
５１ 制御回路（クリーニング手段）
５２ 電圧発生回路（クリーニング手段）
７０ 外部電源（クリーニング手段）
１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１１ アノード流路
１１２ カソード流路
１２１ 水素タンク（クリーニング手段）
１２４ クリーニング弁（クリーニング手段）
１２４ａ、１２４ｂ 配管（クリーニング手段）
１３１ コンプレッサ（カソードガス供給手段、希釈用ガス供給手段）
１３１ａ、１３２ａ 配管（カソードガス流路）
１３２ 加湿器
１３２ｂ、１３２ｃ、１３３ａ 配管（カソードオフガス流路）
１３４ 流量調整弁（希釈用ガス流量可変手段）
１３４ａ、１３４ｂ 配管（希釈用ガス導入流路）
１３５ コンプレッサ（希釈用ガス供給手段）
１６０ ＥＣＵ（希釈用ガス流量可変手段、クリーニング手段）

Claims (7)

1. カソードを有し、前記カソードにカソードガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   前記カソードから排出されたカソードオフガスが通流するカソードオフガス流路と、
   前記カソードオフガス流路に設けられ、カソードオフガス中の水素を検出する水素センサと、
   前記水素センサよりも上流の前記カソードオフガス流路に接続し、前記水素センサに向かうカソードオフガスを希釈するための希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入流路と、
   前記水素センサの被毒を抑制するように、前記希釈用ガス導入流路から前記カソードオフガス流路に導入する希釈用ガスの流量を可変する希釈用ガス流量可変手段と、
   を備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記希釈用ガス流量可変手段は、前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量が少なくなるにつれて、希釈用ガスの流量を増加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水素センサを被毒する要因であって、カソードオフガスに含まれる被毒物質の量は、前記燃料電池の累積発電量又はシステムの累積作動時間で異なり、
   前記希釈用ガス流量可変手段は、前記燃料電池の累積発電量又はシステムの累積作動時間に基づいて、希釈用ガスの流量を可変する
   ことを特徴とする請求項１又に請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水素センサは、その検知素子に付着した被毒物質を除去可能であるクリーニング可能型で構成され、
   前記水素センサをクリーニングするクリーニング手段を備え、
   前記クリーニング手段による前記水素センサのクリーニング中、前記希釈用ガス流量可変手段は、希釈用ガスの流量を増加する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. カソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   前記カソードガス供給手段から前記カソードに向かうカソードガスが通流するカソードガス流路と、
   を備え、
   前記希釈用ガス導入流路の上流端は、前記カソードガス流路に接続されており、
   カソードガスが前記希釈用ガス導入流路を通って希釈用ガスとして導入される
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記希釈用ガス導入路の接続点よりも下流の前記カソードガス流路に設けられ、前記カソードに向かうカソードガスを加湿する加湿器を備える
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. カソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   前記カソードガス供給手段から前記カソードに向かうカソードガスが通流するカソードガス流路と、
   前記カソードガス供給手段と別であって希釈用ガスを供給する希釈用ガス供給手段と、
   を備え、
   前記希釈用ガス導入流路の上流端は前記希釈用ガス供給手段に接続されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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