JP2014055863A - ガスセンサ及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失体を設けずにガスの濃度を良好に検出可能なガスセンサ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】燃料電池スタック１１０から排出され水素を含む排出ガスが取り込まれるガス室２２を内部に有する筐体２１と、筐体２１に形成され、外部からガス室２２への水素の入口となるガス入口２４ａと、ガス室２２のガスに着火する発熱体４１と、発熱体４１の作動後のガス室２２における水素を含むガスの状態に基づいて、水素の濃度が所定濃度以上であるか否かを検出するガス濃度検出手段と、ガス入口２４ａを塞ぐように設けられ、水素が着火した場合においてガス室２２における水素を含むガスの状態が外部に伝播することを防止する延焼防止フィルタ３１と、を備える水素センサ１である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスセンサ及び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（燃料ガス）及び酸素を含む空気（酸化剤ガス）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。このような燃料電池では、そのアノードから外部に排出されるアノードオフガス（燃料オフガス）には発電で消費されなかった水素を含むので、水素の使用効率を高めるために、水素循環流路（燃料ガス循環流路）によってアノードオフガスを燃料電池の上流に戻し、水素を循環させる技術が知られている。

ところが、ガスの循環する状態が連続し、ガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）が増加すると、燃料電池の出力が低下するので、燃料ガス循環流路に燃料オフガス排出流路を接続すると共に、燃料オフガス排出流路に常閉型のパージ弁（排出弁）を取り付け、燃料電池の出力が低下した場合にパージ弁を開き、不純物を車外（外部）に排出している。そして、パージ弁の下流にガス（水素）の圧力を検出する圧力センサを取り付け、圧力センサの検出する圧力値が高い場合、例えば、パージ弁が開故障（開いたまま閉じない状態）しており、高濃度の水素が車外に排出されている虞があると判断する技術が提案されている（特許文献１参照）。

国際公開第２００５／１１９８２３号公報

ところで、特許文献１のように、圧力を検出する場合において検出感度を高めるとき、パージ弁の上流に圧力損失体を設け、パージ弁からの水素の漏れ量に対応する圧力変動幅を大きくする技術が考えられる。しかしながら、圧力損失体を設けると、車外に排出すべきガスも圧力損失体から抵抗を受け、ガスが排出され難くなってしまい、燃料電池の出力が早期に回復しないうえ、パージ弁を構成する例えばソレノイドへの通電時間が長くなり、つまり、消費電力が大きくなり、燃料電池システム全体の効率が低下する虞がある。

また、燃料オフガスが、燃料電池のカソード流路（酸化剤ガス流路）から排出されたカソードオフガス（酸化剤オフガス）と合流する構成である場合、カソードオフガスの流量や圧力に対応して、燃料オフガス流路の合流部分において発生する負圧の程度が変動するので、前記圧力センサの検出する圧力値も変動してしまい、パージ弁が開故障しているか否か判断し難くなる。

そこで、本発明は、ガス排出系において、圧力損失体を設けずに所定濃度以上のガスが外部に排出されるか否かを良好に検出可能なガスセンサ及びこれを備え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、着火可能である被検出ガスが取り込まれるガス室を内部に有する筐体と、前記筐体に形成され、外部から前記ガス室への被検出ガスの入口となるガス入口と、前記ガス室の被検出ガスに着火する着火手段と、前記着火手段の作動後の前記ガス室における被検出ガスを含むガスの状態に基づいて、被検出ガスの濃度が所定濃度以上であるか否かを検出するガス濃度検出手段と、前記ガス入口を塞ぐように設けられ、被検出ガスが着火した場合において前記ガス室における被検出ガスを含むガスの状態が外部に伝播することを防止する伝播防止部と、を備えることを特徴とするガスセンサである。

このような構成によれば、ガス濃度検出手段は、着火手段の作動後のガス室における被検出ガスを含むガスの状態に基づいて、被検出ガスの濃度が所定濃度以上であるか否かを良好に検出（判定）できる。すなわち、被検出ガスが着火した場合、ガス室における被検出ガスを含むガスの状態は大きく変化するので、例えば、着火（燃焼）に伴って温度・圧力は急上昇し、また、着火（燃焼）に伴って水蒸気が急増し湿度が急上昇するので、このようなガス室における被検出ガスを含むガスの状態変化に基づいて、被検出ガスの濃度が所定濃度以上であるか否かを良好に検出できる。

このように、ガス排出系において、被検出ガスが着火した場合にガス室における被検出ガスを含むガスの状態が大きく変化するので、ガスセンサの上流に圧力損失体を設ける必要はない。
これにより、ガスセンサが燃料電池システムにおけるパージ弁の下流に配置される水素センサを構成する場合、圧力損失体を設ける必要はないので、パージ弁からのパージガスが圧力損失体に邪魔されず、速やかに排出される。したがって、パージ弁の開時間（作動時間）を延長する必要はなく、パージ弁を開くための電気エネルギが増加することもない。

また、ガス入口を塞ぐように設けられた伝播防止部によって、被検出ガスが着火した場合においてガス室における被検出ガスを含むガスの状態が外部に伝播することを防止できる。
さらに、ガスセンサの取り付けられる被検出ガス流路（例えば燃料オフガス排出流路）がその他のガスの流路（例えば酸化剤オフガス排出流路）に合流する構成である場合において、その他のガスの流量・圧力が変動したとしても、伝播防止部によってガス入口が塞がれているので、その他のガスの流量等の変動による負圧の変動も、ガス室に伝播し難くなる。

また、ガスセンサにおいて、前記ガス濃度検出手段は、圧力センサ、温度センサ、湿度センサのうち少なくとも１つを備えることが好ましい。

このような構成によれば、圧力センサ、温度センサ、湿度センサのうち少なくとも１つによって、被検出ガスの濃度が所定濃度以上であるか否かを検出できる。

また、ガスセンサにおいて、前記着火手段は、通電により発熱することで被検出ガスに着火する発熱体を備えることが好ましい。
このような構成によれば、通電により発熱体が発熱することで、被検出ガスに着火できる。

また、ガスセンサにおいて、前記着火手段は、放電により被検出ガスに着火する放電機構を備えることが好ましい。
このような構成によれば、放電機構が放電することで、被検出ガスに着火できる。

また、前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス流路からの燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、前記燃料ガス循環流路に接続し、前記燃料ガス循環流路から外部に向かう燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、前記燃料オフガス排出流路に設けられ、開いた場合に燃料オフガスを下流に排出する排出弁と、前記排出弁の下流の前記燃料オフガス排出流路に設けられた前記ガスセンサと、を備え、被検出ガスは燃料ガスであ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、ガスセンサによって、外部に向かうガス中の燃料ガス（被検出ガス）の濃度が所定濃度以上であるか否かを検出できる。

本発明によれば、ガス排出系において、圧力損失体を設けずに所定濃度以上のガスが外部に排出されるか否かを良好に検出可能なガスセンサ及びこれを備え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。 本実施形態に係る水素センサの側断面図である。 水素濃度と着火作動後の圧力との関係を示すマップ（グラフ）である。 水素濃度と着火作動後の温度との関係を示すマップ（グラフ）である。 水素濃度と着火作動後の湿度との関係を示すマップ（グラフ）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。 変形例に係る水素センサの側断面図である。

本発明の一実施形態について、図１〜図６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１（ガスセンサ）と、燃料電池スタック１１０の電力を消費する電力消費系と、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、常閉型の遮断弁１２２と、エゼクタ１２３と、常閉型のパージ弁１２４（排出弁）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、遮断弁１２２、配管１２２ａ、エゼクタ１２３、配管１２３ａ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。よって、アノード流路１１１に向かう水素が通流する燃料ガス供給流路は、配管１２２ａと、配管１２３ａと、を備えて構成されている。

遮断弁１２２は、水素タンク１２１の口金部に取り付けられた元弁であり、燃料電池システム１００（燃料電池車）の起動中、ＥＣＵ１６０によって開かれる。

エゼクタ１２３は、水素タンク１２１からの水素をノズル（図示しない）で噴射することで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１２２ａには、下流に向かって、図示しないレギュレータ（減圧弁）が設けられている。そして、レギュレータは、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（燃料オフガス）は、配管１２３ｂを通ってエゼクタ１２３の吸気口に向かうようになっている。よって、アノード流路１１１からのアノードオフガスをエゼクタ１２３（燃料ガス供給流路）に戻し、水素を循環させる燃料ガス循環流路は、配管１２３ｂを備えて構成されている。

配管１２３ｂは、配管１２４ａ、パージ弁１２４、配管１２４ｂ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１２４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。よって、燃料ガス循環流路（配管１２３ｂ）から車外（外部）に向かうアノードオフガス（燃料オフガス）が通流する燃料オフガス排出流路は、配管１２４ａと、配管１２４ｂと、後記する配管１３３ａとを備えて構成されている。そして、パージ弁１２４は、燃料オフガス排出流路に設けられている。

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１２４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。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ１３１（酸化剤ガス供給手段）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、吐出された空気が、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、コンプレッサ１３１からカソード流路１１２に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路は、配管１３１ａと、配管１３２ａとを備えて構成されている。

カソード流路１１２から排出されたカソードオフガス（酸化剤オフガス）は、配管１３２ｂ、加湿器１３２、配管１３２ｃ、希釈器１３３、配管１３３ａを通って、車外に排出されるようになっている。よって、カソードオフガス（酸化剤オフガス）が通流する酸化剤オフガス排出流路は、配管１３２ｂと、配管１３２ｃと、配管１３３ａとを備えて構成されている。

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１２４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（外部）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、希釈器１３３に接続されている。ただし、配管１３４ａの上流端は、加湿器１３２の上流の配管１３１ａに接続する構成の他、加湿器１３２とカソード流路１１２との間の配管１３２ａに接続する構成でもよい。また、配管１３４ｂの下流端は、希釈器１３３に接続する構成の他、水素センサ１の上流の配管１３３ａに接続する構成でもよい。

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、配管１３４ａ、配管１３４ｂを通って、希釈用ガスとして希釈器１３３に導入されるようになっている。

流量調整弁１３４は、希釈器１３３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。

＜水素センサ＞
次に、図２〜図５を参照して、水素センサ１について具体的に説明する。
水素センサ１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る。

水素センサ１は、ケース１１と、筐体２１と、延焼防止フィルタ３１（伝播防止部、フレームアレスタ）と、撥水フィルタ３２と、発熱体４１と、圧力センサ５１と、温度センサ５２と、湿度センサ５３と、制御基板６１と、を備えている。なお、発熱体４１と、圧力センサ５１、温度センサ５２及び湿度センサ５３とは、同一の筐体２１内に配置されている。また、圧力センサ５１、温度センサ５２及び湿度センサ５３の少なくとも１つを備える構成であればよい。

ケース１１は、薄箱状を呈する樹脂製の部品であり、その内部に制御基板６１を収容している。ケース１１は、図示しないボルトによって、配管１３３ａに固定されている。

筐体２１は、有底円筒状を呈する樹脂製の部品であり、ケース１１の底壁部から下方に突出するように形成されており、配管１３３ａの天壁部に形成された貫通孔１３３ｂに差し込まれている。なお、筐体２１の下端は配管１３３ａの内壁面から突出しておらず、筐体２１によって圧力損失は発生しない。

そして、筐体２１の内部が、水素の取り込まれるガス室２２となっている。また、筐体２１と貫通孔１３３ｂとの間には図示しないＯリング（シール部材）が介設されており、配管１３３ａ内のガスが外部に漏洩しないようになっている。

筐体２１は、円筒状の周壁部２３と、周壁部２３の下端から径方向内側に延出したリング状の底壁部２４と、を備えている。そして、底壁部２４の中央に形成された円形の貫通孔がガス入口２４ａとなっている。ガス入口２４ａは、配管１３３ａ内（ガス室２２から見て外部）からガス室２２への水素を含むカソードオフガスの入口である。

周壁部２３に内嵌するように、円筒状のヒータ２５が取り付けられている。ヒータ２５は、ガス室２２における結露防止用のヒータである。そして、ヒータ２５は、制御基板６１と電気的に接続されており、制御基板６１から電力供給され通電すると発熱するようになっている。このようなヒータ２５は、例えば、セラミックヒータやＰＴＣヒータで構成される。ただし、ヒータ２５の形状はこれに限定されず、例えば、側断面視で逆Ｕ字形を呈する形状でもよい。そして、このような形状とすれば、後記する伝熱部材２６を省略できる。

ヒータ２５に内嵌するように、側断面視で逆Ｕ字形を呈する金属製の伝熱部材２６が取り付けられている。すなわち、伝熱部材２６は、ヒータ２５に接触すると共に、ガス入口２４ａを除き、ガス室２２を取り囲む内壁面を構成している。これにより、ヒータ２５の熱が伝熱部材２６を介してガス室２２全体に伝達し、ガス室２２全体が暖まるようになっている。したがって、ガス室２２において局部的に結露水が生成し難くなっている。

そして、このように結露水が加熱されることで生成した水蒸気は、延焼防止フィルタ３１及び撥水フィルタ３２を通って、配管１３３ａに排出される。したがって、後記する着火作動した場合において前記結露水の気化による湿度変化を小さくでき、水素濃度を良好に検出し易くなる。

＜延焼防止フィルタ＞
延焼防止フィルタ３１は、ガス入口２４ａを塞ぐように設けられた円板状のフィルタ（円板状体）であって、ガス室２２において水素の着火燃焼により生成した炎が、ガス室２２から配管１３３ａ（ガス室２２から見て外部）に延びることを防止するフィルタである。つまり、延焼防止フィルタ３１は、水素が着火した場合におけるガス室２２の燃焼状態が配管１３３ａ（ガス室２２から見て外部）に伝播することを防止する伝播防止部である。
ただし、延焼防止フィルタ３１は、検出対象である水素を含むカソードオフガスが、配管１３３ａ内からガス室２２に流入するように、配管１３３ａ内とガス室２２とを連通する細孔を有している。

このような延焼防止フィルタ３１は、例えば、（１）炎が通過不能である目開きである金属製のメッシュ（網状体）、（２）金属製又はセラミック製で無数の細孔を有する焼結体で構成される。その他、延焼防止フィルタ３１として、撥水フィルタ３２を使用することもできる。

＜撥水フィルタ＞
撥水フィルタ３２は、延焼防止フィルタ３１の配管１３３ａ側（外側）に積層された高分子膜であって、ガス（気体）の通流を許容するものの、液体を遮断する高分子膜である。これにより、カソードオフガスに含まれる液体（結露水等）が撥水フィルタ３２で遮断され、ガス室２２に浸入しないようになっている。また、撥水フィルタ３２は、延焼防止フィルタ３１の配管１３３ａ側に重ねられているので、延焼防止フィルタ３１は結露水等で目詰まりしないようになっている。

＜発熱体＞
発熱体４１は、通電することにより自己温度が昇温して発熱する素子であって、例えば、ニクロム線や白金線をコイル状に巻回したものや、ＰＴＣヒータで構成される。そして、発熱体４１は、このように発熱することで、ガス室２２の水素に着火する機能を有する。

具体的に、発熱体４１は、制御基板６１から下方に延びるステー４１ａ、４１ａを接続するように取り付けられると共に、ガス室２２に配置されている。そして、着火動作が実行される場合、電流が、制御基板６１からステー４１ａを介して、発熱体４１に通電するようになっている。

発熱体４１の発熱する程度、つまり、着火作動が実行される場合において制御基板６１から発熱体４１に供給される電流の電流値は、着火濃度（図３〜図５参照）の水素が着火する程度に設定される。例えば、通電状態において発熱体４１の表面温度が、５３０℃以上となるように設定される。

＜圧力センサ＞
圧力センサ５１は、ガス室２２に配置されており、ガス室２２の圧力を検出し、制御基板６１に出力するようになっている。なお、ガス室２２の圧力は、ガス室２２における水素の状態である。つまり、圧力が通常の場合、水素は非着火状態（非燃焼状態）であり、圧力が高い場合、水素は着火状態（燃焼状態）である。

＜温度センサ＞
温度センサ５２は、ガス室２２に配置されており、ガス室２２の温度を検出し、制御基板６１に出力するようになっている。なお、ガス室２２の温度は、ガス室２２における水素の状態である。つまり、温度が通常の場合、水素は非着火状態（非燃焼状態）であり、温度が高い場合、水素は着火状態（燃焼状態）である。

＜湿度センサ＞
湿度センサ５３は、ガス室２２に配置されており、ガス室２２の湿度を検出し、制御基板６１に出力するようになっている。なお、ガス室２２の湿度は、ガス室２２における水素の状態である。つまり、湿度が通常の場合、水素は非着火状態（非燃焼状態）であり、湿度が高い場合、水素は着火状態（燃焼状態）である。

＜制御基板＞
制御基板６１は、水素センサ１の動作を制御する基板であり、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。

＜制御基板−着火制御機能＞
制御基板６１は、発熱体４１への電力供給を制御し、発熱体４１による着火作動を制御する機能を備えている。

＜制御基板−濃度検出機能（圧力）＞
制御基板６１は、圧力センサ５１から入力されるガス室２２の圧力に基づいて、水素濃度が排出上限濃度（所定濃度）以上であるか否かを検出（判定）する機能を備えている。
ここで、図３を参照して、ガス室２２における水素濃度と、着火作動後におけるガス室２２の水素を含むガスの圧力との関係を説明する。着火作動とは、制御基板６１から発熱体４１に電力が供給され、つまり、発熱体４１に通電し、ガス室２２の水素の着火が試行されたことを意味し、実際の着火の有無を問わない。なお、ガス室２２における水素濃度は、配管１３３ａ内の水素濃度、つまり、車外に排出されるガスの水素濃度と等しい。

図３に示すように、ガス室２２の水素濃度が着火濃度未満である場合、着火作動しても水素に着火しないので、着火作動前後におけるガス室２２の圧力は同一となる。着火濃度とは、着火作動によって着火する水素濃度である。なお、ガス室２２の温度が高くなるにつれて水素が着火し易くなるので、温度センサ５２の検出する着火作動前のガス室２２の温度が高くなるにつれて、着火温度が低くなるように、つまり、図３のマップが左にシフトするように補正する構成としてもよい。

ガス室２２の水素濃度が着火濃度以上になると、着火作動によって水素が着火し、ガス室２２の水素濃度が高くなるにつれて、着火作動後におけるガス室２２の圧力が高くなる関係となっている。これは、水素濃度が高くなるにつれて、つまり、水素量が増加するにつれて、水素の着火・燃焼後に生成する水蒸気（ガス）量が増加するからである。そして、制御基板６１は、着火作動後におけるガス室２２の圧力と、図３のマップとに基づいて、ガス室２２における水素濃度を算出する機能を備えている。

また、着火作動前後の圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ０以上である場合、制御基板６１は、配管１３３ａから車外に排出されるガス中の水素濃度が、排出上限濃度（所定濃度、可燃下限濃度）以上であると検出（判定）する機能を備えている。排出上限濃度は、事前試験等により求められ、車外への排出が許容される水素濃度の上限である。所定圧力差ΔＰ０は、事前試験等により求められ、制御基板６１に予め記憶されている。

＜制御基板−濃度検出機能（温度）＞
制御基板６１は、温度センサ５２から入力されるガス室２２の温度に基づいて、水素濃度が排出上限濃度（所定濃度）以上であるか否かを検出（判定）する機能を備えている。
ここで、図４を参照して、ガス室２２における水素濃度と、着火作動後におけるガス室２２の温度との関係を説明する。

図４に示すように、ガス室２２の水素濃度が着火濃度未満である場合、着火作動しても水素に着火しないので、着火作動前後におけるガス室２２の温度は同一となる。なお、ガス室２２の圧力が高くなるにつれて水素が着火し易くなるので、圧力センサ５１の検出する着火作動前のガス室２２の圧力が高くなるにつれて、着火温度が低くなるように、つまり、図４のマップが左にシフトするように補正する構成としてもよい。

ガス室２２の水素濃度が着火濃度以上になると、着火作動によって水素が着火し、ガス室２２の水素濃度が高くなるにつれて、着火作動後におけるガス室２２の温度が高くなる関係となっている。これは、水素濃度が高くなるにつれて、つまり、水素量が増加するにつれて、水素の着火・燃焼後に生成する燃焼熱が増加するからである。そして、制御基板６１は、着火作動後におけるガス室２２の温度と、図４のマップとに基づいて、ガス室２２における水素濃度を算出する機能を備えている。

また、着火作動前後の温度差ΔＴが所定温度差ΔＴ０以上である場合、制御基板６１は、配管１３３ａから車外に排出されるガス中の水素濃度が、排出上限濃度（所定濃度）以上であると検出（判定）する機能を備えている。所定温度差ΔＴ０は、事前試験等により求められ、制御基板６１に予め記憶されている。

＜制御基板−濃度検出機能（湿度）＞
制御基板６１は、湿度センサ５３から入力されるガス室２２の湿度に基づいて、水素濃度が排出上限濃度（所定濃度）以上であるか否かを検出（判定）する機能を備えている。
ここで、図５を参照して、ガス室２２における水素濃度と、着火作動後におけるガス室２２の湿度との関係を説明する。

図５に示すように、ガス室２２の水素濃度が着火濃度未満である場合、着火作動しても水素に着火しないので、着火作動前後におけるガス室２２の湿度は同一となる。なお、ガス室２２の圧力及び／又は温度が高くなるにつれて水素が着火し易くなるので、圧力センサ５１の検出する着火作動前のガス室２２の圧力、及び／又は、温度センサ５２の検出する着火作動前の温度が高くなるにつれて、着火温度が低くなるように、つまり、図４のマップが左にシフトするように補正する構成としてもよい。

ガス室２２の水素濃度が着火濃度以上になると、着火作動によって水素が着火し、ガス室２２の水素濃度が高くなるにつれて、着火作動後におけるガス室２２の湿度が高くなる関係となっている。これは、水素濃度が高くなるにつれて、つまり、水素量が増加するにつれて、水素の着火・燃焼後に生成する水蒸気量が増加するからである。そして、制御基板６１は、着火作動後におけるガス室２２の湿度と、図５のマップとに基づいて、ガス室２２における水素濃度を算出する機能を備えている。

また、着火作動前後の湿度差ΔＨｕが所定湿度差ΔＨｕ０以上である場合、制御基板６１は、配管１３３ａから車外に排出されるガス中の水素濃度が、排出上限濃度（所定濃度）以上であると検出（判定）する機能を備えている。所定湿度差ΔＨｕ０は、事前試験等により求められ、制御基板６１に予め記憶されている。

＜制御基板−まとめ＞
制御基板６１は、水素濃度が排出上限濃度（所定濃度）以上であるか否かについての判定結果をＥＣＵ１６０に出力するようになっている。また、水素濃度をＥＣＵ１６０に出力するようになっている。したがって、着火手段の作動後のガス室２２における水素を含むガスの状態に基づいて、水素の濃度が所定濃度以上であるか否かを検出するガス濃度検出手段は、圧力センサ５１と、温度センサ５２と、湿度センサ５３と、制御基板６１と、を備えて構成されている。

＜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、を備えている。モータ１４１は、電力制御器１４２を介して、燃料電池スタック１１０の出力端子に接続されている。

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、ＥＣＵ１６０の指令に従って、三相交流を発生させるＰＤＵ（Power Drive Unit、図示しない）が設けられている。

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、スタック電流、スタック電圧）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ている。また、電力制御器１４２にはバッテリ（図示しない）が接続されており、電力制御器１４２はバッテリの充電／放電を制御する機能も備えており、例えば、バッテリを放電させて、燃料電池車をＥＶ走行させることも可能に構成されている。

＜その他機器＞
アクセル開度センサ１５２は、アクセル開度（アクセルペダルの踏み込み量、要求発電量）を検出し、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。具体的な制御内容は後で説明する。

≪燃料電池システム（水素センサ）の動作・効果≫
図６を参照して、燃料電池システム１００（水素センサ１）の動作・効果を説明する。
なお、初期状態において、燃料電池システム１００は起動しており、燃料電池車は走行している。すなわち、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度に対応して、燃料電池スタック１１０に水素及び空気を供給し、燃料電池スタック１１０を発電させている。また、ＥＣＵ１６０は、パージ弁１２４を適宜に所定の開弁時間にて開弁している。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１６０は、水素センサ１によって水素濃度を検出するか否か判定する。
ここで、水素濃度を検出すると判定する場合について特に限定はないが、例えば、（１）前回水素濃度を検出すると判定した後（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、所定の検出インターバルを経過した場合、（２）パージ弁１２４の閉弁から所定時間経過した場合、水素濃度を検出すると判定される。

水素濃度を検出すると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０は、水素センサ１の制御基板６１に検出指令を出力する。水素濃度を検出しないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０１の判定を繰り返す。

ステップＳ１０２において、制御基板６１は、着火作動処理を実行する。
具体的には、制御基板６１は、発熱体４１に電力を供給して通電し、発熱体４１を所定温度に昇温させ、水素への着火を試みる。

ステップＳ１０３において、制御基板６１は、圧力センサ５１の検出する圧力値に基づいて、着火作動前後における圧力差ΔＰを算出する。次いで、制御基板６１は、圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ０（図３参照）以上であるか否か判定する。

圧力差ΔＰは所定圧力差ΔＰ０以上であると判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、制御基板６１は、排出上限濃度以上の水素が車外に排出されている虞があると判断（検出）し、これに対応する信号をＥＣＵ１６０に出力する。

ここでは、着火作動前後における圧力差ΔＰと所定圧力差ΔＰ０とに基づいて判定する構成を例示するが、着火作動後の圧力Ｐと排出上限濃度に対応する上限圧力とに基づいて判定する構成としてもよい。また、着火作動後の圧力Ｐと、図３のマップとに基づいて、現在の水素濃度を算出し、ＥＣＵ１６０に出力する構成としてもよい。

また、着火作動前後における温度差ΔＴ、湿度差ΔＨｕに基づく判定を重複して実行し、判定精度を高めるようにしてもよい。さらに、着火作動後の温度Ｔ、湿度Ｈｕに基づいて、重複して現在の水素濃度を算出する構成としてもよい。

その後、処理は、ステップＳ１０４に進む。

圧力差ΔＰは所定圧力差ΔＰ０以上でないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、制御基板６１は、排出上限濃度以上の水素が車外に排出されている虞がないと判断する。

その後、処理はリターンを通ってスタートに戻る。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ１６０は、遮断弁１２２を閉じる。これにより、水素タンク１２１から燃料電池スタック１１０への新規な水素の供給が停止されるので、配管１３３ａから車外に排出される水素濃度が上昇することはない。また、ＥＣＵ１６０は、パージ弁１２４を閉弁状態で維持する。

これに並行して、ＥＣＵ１６０は、電力制御器１４２を制御し、アクセル開度に対応してバッテリ（図示しない）を放電させ、この放電電力をモータ１４１に供給し、燃料電池車をＥＶ走行させる。また、ＥＣＵ１６０は、図示しない警告ランプ（報知手段）を点灯させ、運転者に高濃度の水素が車外に排出されている虞（異常の虞）がある旨を報知する。

その後、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７に示すように、配管１２４ｂの下流端が希釈器１３３の上流の配管１３２ｃに接続し、水素センサ１が配管１２４ｂと希釈器１３３との間の配管１３２ｃに取り付けられた構成でもよい。
また、図７に示すように、コンプレッサ１３１とは別のコンプレッサ１３５（希釈用ガス供給手段）を備え、コンプレッサ１３５からの空気（希釈用ガス）が、配管１３５ａを通って、希釈器１３３に供給される構成でもよい。その他、エアスクープ等から走行風を取り込み、走行風をファンで希釈器１３３に供給する構成としてもよい。

そして、このような構成において、着火作動前後における圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ０以上である場合（図６、Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ１６０がコンプレッサ１３５の回転速度を高め、コンプレッサ１３５から希釈器１３３に導入される空気（希釈用ガス）を増加させる。なお、所定圧力差ΔＰ０が大きくなるにつれて、コンプレッサ１３５の回転速度を高くすることが好ましい。また、配管１３５ａの上流端が、コンプレッサ１３５ではなく、図１に示すように、配管１３１ａに接続し、配管１３５ａに流量調整弁１３４が設けられた構成についても同様である。

このようにして、コンプレッサ１３５から希釈器１３３に導入される空気を増加させることにより、希釈器１３３において水素を良好に希釈し、車外に排出されるガスの水素濃度を排出上限濃度未満に低下させることができる。また、遮断弁１２２を閉じず、水素を継続して供給し、燃料電池スタック１１０の発電を継続できる。

例えば、図８に示す水素センサ１でもよい。水素センサ１は、発熱体４１（図２参照）に代えて、放電機構４２を備えている。放電機構４２は、２本のステー４１ａ、４１ａにそれぞれ設けられた放電端子４２ａ、４２ａを備えている。放電端子４２ａ、４２ａは、極小隙間をあけて近接して配置されると共に、制御基板６１から電力が供給された場合、水素への着火を試みるため、放電端子４２ａ、４２ａ間において、放電（スパーク）が発生するように構成されている。なお、放電エネルギは、例えば、０．０１９ｍＪ以上に設定される。

その他、放電端子４２ａ、４２ａに代えて、電気接点機構（電気スイッチ、コンタクタ等）を備える構成としてもよい。この構成において水素への着火を試みるとき、電気接点機構を作動させ、電気接点機構を構成するスイッチ端子間に放電（スパーク）を発生させる。なお、通流させる電流値は、スイッチ端子の形状等に依存するが、例えば、０．０２Ａ以上に設定される。

前記した実施形態では、水素センサ１が、パージ弁１２４からのアノードオフガスとカソード流路１１２からのカソードオフガスとの合流点である希釈器１３３の下流に取り付けられた構成と例示したが、前記合流点よりも上流の配管１２４ｂに取り付けられた構成でもよい。このような構成の場合、カソードオフガスの流量が変化すると、配管１２４ｂにおける負圧が変化し、配管１２４ｂの圧力が変化することになるが、水素センサ１のガス入口２４ａを塞ぐように延焼防止フィルタ３１及び撥水フィルタ３２が取り付けられているので、ガス室２２の圧力は変化し難くなっている。

前記した実施形態では、着火可能である被検出ガス（燃料ガス）が水素である構成を例示したが、その他に例えば、メタン等でもよい。

前記した実施形態では、水素センサ１が、燃料電池システム１００に組みまれた構成を例示したが、水素センサ１が単独で使用される構成、例えば、水素センサ１が燃料電池車の車室に取り付けられた構成でもよい。

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。

１ 水素センサ（ガスセンサ）
２１ 筐体
２２ ガス室
２４ａ ガス入口
３１ 延焼防止フィルタ（伝播防止部）
３２ 撥水フィルタ（伝播防止部）
４１ 発熱体（着火手段）
４２ 放電機構（着火手段）
５１ 圧力センサ（ガス濃度検出手段）
５２ 温度センサ（ガス濃度検出手段）
５３ 湿度センサ（ガス濃度検出手段）
６１ 制御基板（ガス濃度検出手段）
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（燃料ガス流路）
１１２ カソード流路（酸化剤ガス流路）
１２２ａ、１２３ａ 配管（燃料ガス供給流路）
１２３ｂ 配管（燃料ガス循環流路）
１２４ パージ弁（排出弁）
１２４ａ、１２４ｂ 配管（燃料オフガス排出流路）

Claims (5)

1. 着火可能である被検出ガスが取り込まれるガス室を内部に有する筐体と、
   前記筐体に形成され、外部から前記ガス室への被検出ガスの入口となるガス入口と、
   前記ガス室の被検出ガスに着火する着火手段と、
   前記着火手段の作動後の前記ガス室における被検出ガスを含むガスの状態に基づいて、被検出ガスの濃度が所定濃度以上であるか否かを検出するガス濃度検出手段と、
   前記ガス入口を塞ぐように設けられ、被検出ガスが着火した場合において前記ガス室における被検出ガスを含むガスの状態が外部に伝播することを防止する伝播防止部と、
   を備える
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記ガス濃度検出手段は、圧力センサ、温度センサ、湿度センサのうち少なくとも１つを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記着火手段は、通電により発熱することで被検出ガスに着火する発熱体を備える
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記着火手段は、放電により被検出ガスに着火する放電機構を備える
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
5. 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料ガス流路からの燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、
   前記燃料ガス循環流路に接続し、前記燃料ガス循環流路から外部に向かう燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
   前記燃料オフガス排出流路に設けられ、開いた場合に燃料オフガスを下流に排出する排出弁と、
   前記排出弁の下流の前記燃料オフガス排出流路に設けられた、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガスセンサと、
   を備え、
   被検出ガスは燃料ガスである
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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