JP4131801B2 - 燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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燃料極と酸素極とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極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酸素極まで移動して、酸素極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、例えば特開平６−２２３８５０号公報に開示された燃料電池の保護装置のように、燃料電池の酸素極側の排出系に水素センサを備え、この水素センサによって、燃料極側の水素が固体高分子電解質膜を通じて酸素極側に漏洩したことを検知したときは、燃料の供給を遮断する保護装置が知られている。
また、水素センサとしては、例えば白金等の触媒からなるガス検出素子と温度補償素子とを一対備え、水素が白金等の触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によってガス検出素子が相対的に高温の状態になったときに、例えば雰囲気温度下等の相対的に低温の状態の温度補償素子との間に生じる電気抵抗の差異に応じて、水素ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式の水素センサが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなガス接触燃焼式の水素センサにおいては、例えば触媒のシリコン被毒や硫黄被毒、水分の吸着等により感度低下等の劣化が生じる場合がある。
この場合、例えば燃料電池システムの異常等によって排出系に含まれる水素ガス量が増大しても、劣化した水素センサではこの増大を検知できない虞があり、燃料電池の作動時における適宜のタイミングで水素センサの劣化状態を検知することが望まれる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の作動時において水素センサの劣化状態を容易に検知することが可能な燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池１０）を備える燃料電池システムに具備される水素センサ（例えば、実施の形態での第１の水素センサ１５ａ、第２の水素センサ１５ｂ）の劣化検知方法であって、前記水素センサから出力される検出値と、少なくとも前記燃料極または前記酸素極の一方の作動圧力に基づく前記燃料電池の作動状態に応じて設定した所定の判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて前記水素センサが劣化しているか否かを判定する判定ステップ（例えば、実施の形態でのステップＳ０４）を含むことを特徴としている。
【０００６】
上記の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、例えば燃料電池の所定作動状態に対して予め設定された判定閾値や、例えば燃料電池の作動状態に応じて予め設定された判定閾値のマップ等が適宜の記憶手段に記憶されている。判定ステップでは、燃料電池の作動状態に応じて設定された判定閾値を記憶手段から取得し、水素センサから出力される検出値と判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて水素センサが劣化しているか否かを判定し、例えば劣化していると判定した場合には、報知手段によって水素センサの交換を促す警報等を出力する。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法では、前記燃料電池システムは前記燃料電池の酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管（例えば、実施の形態での酸素極側の出口側配管１４）を備え、前記水素センサは前記カソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガス中の水素を検出するものであり、前記判定ステップは、前記判定閾値を、前記燃料極と前記酸素極との前記反応ガスの圧力差に応じて設定することを特徴としている。
【０００８】
上記の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、判定ステップでは、燃料電池の酸素極から排出されるオフガス中の水素を検知する水素センサに対しては、燃料電池の作動状態として、特に、燃料極と酸素極との反応ガスの圧力差とされる極間差圧に応じて設定された判定閾値に基づいて水素センサが劣化しているか否かを判定する。これにより、例えばオフガス中に含まれる水素量が極間差圧に応じて変化する場合であっても、水素センサの劣化状態を適切に判定することができる。
【０００９】
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法では、前記燃料電池システムは前記燃料電池を内部に収容する筐体（例えば、実施の形態での筐体１０ａ）を備え、前記水素センサは前記筐体に設けられ、前記筐体内の水素を検出するものであり、前記判定ステップは、前記判定閾値を、前記燃料電池の作動時における前記反応ガスの供給圧力に応じて設定することを特徴としている。
【００１０】
上記の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、判定ステップは、燃料電池を収容する筐体内の水素を検知する水素センサに対しては、燃料電池の作動状態として、特に、燃料極に供給される水素の圧力、あるいは、酸素極に供給される酸素を含むガスの圧力等の作動圧力に応じて設定された判定閾値に基づいて水素センサが劣化しているか否かを判定する。これにより、例えば筐体内に含まれる水素量が作動圧力に応じて変化する場合であっても、水素センサの劣化状態を適切に判定することができる。
【００１１】
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法では、前記判定ステップは、前記燃料電池の所定安定作動時において、前記水素センサから出力される検出値と、前記燃料電池の前記所定安定作動時に対して設定した前記判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて前記水素センサが劣化しているか否かを判定することを特徴としている。
【００１２】
上記の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、判定ステップは、例えば燃料電池システムが燃料電池車両等の車両に電源として搭載されている場合には、車両のアイドル運転時や燃料電池の発電電流が所定の安定状態である場合等の所定安定作動時に劣化判定を行う。これにより、水素センサの劣化状態を精度良く判定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知装置（以下、単に、劣化検知装置と呼ぶ）１は、例えば、制御装置２と、記憶装置３と、警報装置４と、燃料電池１０と、燃料電池１０に接続された各配管１１，…，１４のうち、酸素極側の出口側配管１４に設けられた第１の水素センサ１５ａと、燃料電池１０を内部に収容する筐体１０ａに設けられた第２の水素センサ１５ｂとを備えて構成されている。
【００１４】
燃料電池１０は、例えば電気自動車等の動力源として車両に搭載されており、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燃料極と酸素極で挟持した電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セル（図示略）を多数組積層して構成されている。
燃料極に入口側配管１１から供給された水素などの燃料ガスは、触媒電極上で水素がイオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介して酸素極へと移動する、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸素極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が入口側配管１２を介して供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、燃料極側、酸素極側共に出口側配管１３、１４から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。
【００１５】
ここで、燃料電池１０の燃料極側の入口側配管１１には、燃料極側に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力検出器１１ａが備えられ、燃料電池１０の酸素極側の入口側配管１２には、酸素極側に供給される酸素などの酸化剤ガスあるいは空気の圧力を検出する圧力検出器１２ａが備えられ、各圧力検出器１１ａ，１２ａから出力される検出信号は制御装置２に入力されている。
また、燃料電池１０から取り出される発電電流は、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えて構成される電流制御器５に入力されており、この電流制御器５には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる蓄電装置６が接続されている。
電流制御器５は、制御装置２から出力される電流指令値、つまり燃料電池１０に対する発電指令に基づいて、燃料電池１０から取り出される発電電流の電流値を制御すると共に、実際に燃料電池１０から取り出される発電電流を検出し、この検出値を制御装置２へと入力している。
【００１６】
ここで、酸素極側の出口側配管１４には、その鉛直方向上側にガス接触燃焼式の第１の水素センサ１５ａが取り付けられ、この第１の水素センサ１５ａにより酸素極側の出口側配管１４内の水素ガスを検知できるようになっている。
また、燃料電池１０を内部に収容する筐体１０ａには、その鉛直方向上側にガス接触燃焼式の第２の水素センサ１５ｂが取り付けられ、この第２の水素センサ１５ｂにより筐体１０ａ内の水素ガスを検知できるようになっている。
【００１７】
例えば図２に示すように、各水素センサ１５ａ，１５ｂは出口側配管１４の長手方向等に沿って長い直方形状のケース１９を備えている。ケース１９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２０を備えている。フランジ部２０にはカラー１７を取り付けてあり、例えば図３に示すように、このカラー１７内にボルト２１を挿入して、前記出口側配管１４および筐体１０ａの各取付座１６に締め付け固定されるようになっている。
【００１８】
例えば図３に示すように、ケース１９の下面には、出口側配管１４および筐体１０ａの各貫通孔に外側から挿通される筒状部２２が形成されている。ケース１９内には図示しない回路基板が設けられ、この回路基板に後述する検出素子２９と温度補償素子３０が接続されている。筒状部２２の内部はガス検出室２４として形成され、筒状部２２の端部がガス導入部２５として開口形成されている。
【００１９】
また、筒状部２２の外周面にはシール材２６が取り付けられ、出口側配管１４および筐体１０ａの各貫通孔の内周壁に密接して気密性を確保している。そして、この筒状部２２の内部に検出素子２９と温度補償素子３０とが装着されている。
検出素子２９と温度補償素子３０は回路基板に接続されガス検出室２４内で同一高さで所定間隔を隔てて一対設けられたものである。
検出素子２９は周知の素子であって、例えば図４に示すように、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２９ａの表面を、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２９ｂ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３０は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子２９と同等のコイル３０ａを備えて構成されている。
そして、被検出ガスである水素が検出素子２９の触媒２９ｂ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２９と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず雰囲気温度下の温度補償素子３０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。
【００２０】
例えば図４に示すように、検出素子２９（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子３０（抵抗値Ｒ３）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗４１（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗４２（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺とが、電源４３に対して並列に接続されてなるブリッジ回路において、検出素子２９と温度補償素子３０同志の接続点ＰＳと、固定抵抗４１，４２同志の接続点ＰＲとの間に電圧計４４が接続されている。
ここで、被検出ガスである水素が存在しないときにはブリッジ回路はバランスしてＲ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３の状態にあり、電圧計４４の出力がゼロとなる。一方、水素が存在すると、検出素子２９の触媒２９ｂにおいて水素が燃焼し、コイル２９ａの温度が上昇し、抵抗値Ｒ４が増大する。これに対して温度補償素子３０においては水素は燃焼せず、抵抗値Ｒ３は変化しない。これにより、ブリッジ回路の平衡が破れて電圧計４４に、水素濃度の増大変化に応じて増大傾向に変化する適宜の電圧が印加される。この電圧計４４から出力される電圧の検出値は、例えば後述する制御装置２へ入力され、この電圧の検出値の変化に応じて予め設定された水素濃度のマップ等に基づいて、水素濃度が算出される。
【００２１】
また、例えば図２に示すように、上記ガス検出室２４内には検出素子２９と温度補償素子３０との間に、両者を遮るようにして被検出ガスの流入方向に沿って立てられた状態で四角形で板状のヒータ２７が配置されている。このヒータ２７はガス検出室２４内を加熱するもので、放熱面２７Ｃを検出素子２９と温度補償素子３０とに指向した状態で配置されている。つまりヒータ２７は各面が放熱面２７Ｃとして構成されている。このヒータ２７により流入する被検出ガスが検出素子２９と温度補償素子３０とに振り分けられるようにして均等に分配される。また、ガス検出室２４にはガス検出室２４内の温度を検出する温度センサ２８が取り付けられている。
【００２２】
制御装置２は、酸素極側の出口側配管１４に取り付けられた第１の水素センサ１５ａと、筐体１０ａに取り付けられた第２の水素センサ１５ｂとに接続され、後述するように、各センサ１５ａ，１５ｂ毎に出力される検出値と、記憶装置３に格納されている判定閾値との比較結果に応じて、各センサ１５ａ，１５ｂが劣化しているか否かを判定し、劣化していると判定した際には、警報装置４によって各センサ１５ａ，１５ｂの交換を促す警報等を出力する。
ここで、記憶装置３は、燃料電池１０の作動状態、例えば極間差圧や作動圧力や発電電流等に応じた、各センサ１５ａ，１５ｂの検出値に対する所定の判定閾値のマップ等を記憶しており、制御装置２は、各圧力検出器１１ａ，１２ａから入力される検出信号に基づいて算出した極間差圧や作動圧力、電流制御器５から入力される発電電流の検出信号に応じて、記憶装置３に格納されている判定閾値を検索する。
【００２３】
本実施の形態による劣化検知装置１は上記構成を備えており、次に、この劣化検知装置１の動作について添付図面を参照しながら説明する。
先ず、図５に示すステップＳ０１においては、燃料電池１０の作動時において、燃料電池１０の作動状態として、各圧力検出器１１ａ，１２ａから入力される検出信号を取得し、例えば極間差圧や作動圧力等を算出したり、電流制御器５から入力される発電電流の検出信号を取得する。
そして、ステップＳ０２においては、第１および第２の水素センサ１５ａ，１５ｂ毎に出力される電圧の検出値を取得する。
そして、ステップＳ０３においては、燃料電池１０の作動状態に応じた各判定閾値を記憶装置３から取得する。
【００２４】
そして、ステップＳ０４においては、各水素センサ１５ａ，１５ｂ毎に出力される電圧の検出値が、燃料電池１０の作動状態に応じて記憶装置３から取得した各判定閾値未満であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、一連処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０５に進み、警報装置４によって各センサ１５ａ，１５ｂの交換を促す警報等を出力し、一連の処理を終了する。
【００２５】
上述したように、本実施の形態による劣化検知方法によれば、各センサ１５ａ，１５ｂの検出値が燃料電池１０の作動状態に応じて設定された各判定閾値未満である場合に、各センサ１５ａ，１５ｂが劣化していると判定することにより、燃料電池１０の作動時であっても各センサ１５ａ，１５ｂに発生する感度低下等を確実に検知することができる。
特に、酸素極側の出口側配管１４に設けられた第１の水素センサ１５ａに対しては、極間差圧に応じた判定閾値を設定し、筐体１０ａに設けられた第２の水素センサ１５ｂに対しては、作動圧力に応じた判定閾値を設定し、各センサ１５ａ，１５ｂの配置位置に応じた適切な作動状態量に基づいて劣化判定を行うことにより、判定精度を向上させることができる。
【００２６】
なお、上述した本実施の形態において、制御装置２は、燃料電池１０の作動状態に対する検出値に応じて記憶装置３の判定閾値をマップ検索することにより、燃料電池１０の作動時における適宜のタイミングで劣化判定の処理を行うとしたが、これに限定されず、例えば上述した燃料電池システムが燃料電池車両等の車両に電源として搭載されている場合には、車両始動時のアイドル運転時等の所定安定作動時に劣化判定を行うように設定し、記憶装置３には、この所定安定作動状態に対する所定の判定閾値のみを記憶してもよい。なお、この場合には、例えば電流制御器５から制御装置２へ入力される発電電流の検出信号に基づいて燃料電池１０が所定安定作動状態か否かを判定することができる。
また、上述した本実施の形態において、ステップＳ０４の判定処理では、記憶装置３から取得した判定閾値に対して、例えば各センサ１５ａ，１５ｂの検出誤差や判定閾値に対する許容範囲等からなる補正値を適宜に設定可能とし、この補正値によって補正して得た判定閾値と、各センサ１５ａ，１５ｂの検出値とを比較してもよい。
【００２７】
なお、上述した本実施の形態において、燃料電池１０の作動状態として、極間差圧や作動圧力の検出値を取得するとしたが、これに限定されず、他の作動状態量、例えば燃料電池１０の燃料極や酸素極に供給される反応ガスの流量や、固体高分子電解質膜の温度等の検出値を取得し、これらの検出値に応じた判定閾値を記憶装置３から取得するように設定してもよい。
また、上述した本実施の形態においては、各水素センサ１５ａ，１５ｂから出力される電圧の検出値を所定の判定閾値と比較するとしたが、これに限定されず、各水素センサ１５ａ，１５ｂから出力される電圧の検出値に基づいて算出した水素濃度値と所定の判定閾値とを比較し、算出された水素濃度値が判定閾値未満の時に、各水素センサ１５ａ，１５ｂが劣化していると判定してもよい。この場合には、記憶装置３に燃料電池１０の作動状態、例えば極間差圧や作動圧力等に応じた水素濃度値を所定の判定閾値として記憶していればよい。
【００２８】
また、上述した本実施の形態において、各水素センサ１５ａ，１５ｂは、各素子２９，３０及び固定抵抗４１，４２からなるブリッジ回路における所定接点間の電圧の検出値を出力するとしたが、これに限定されず、少なくとも検出素子２９を備えるその他の回路にて検出した電圧や電流の検出値を出力してもよい。要するに、検出素子２９の抵抗値Ｒ４に関連した状態量を検出し、出力することにより、例えば検出素子２９の表面に水分が付着する等によって、例えば触媒２９ｂを坦持する坦体の損傷や破損等が生じ、水素濃度の増大に応じた抵抗値Ｒ４の増大が生じなくなったり、例えば感度低下等の劣化により水素濃度の増大に応じた抵抗値Ｒ４の増大量が低減することを検出できるものであればよい。
例えば、検出素子２９と、水素濃度の増大に応じて抵抗値が増大する適宜の素子とを具備する直列回路に所定電圧を印加した状態で、検出素子２９の端子間電圧を検出する場合には、検出素子２９が劣化すると、この直列回路において検出素子２９での電圧降下が相対的に低下するため、この端子間電圧の検出値が所定の判定閾値未満の時に、各水素センサ１５ａ，１５ｂが劣化していると判定することができる。
また、例えば、検出素子２９と、水素濃度の増大に応じて抵抗値が増大する適宜の素子とが並列に接続されてなる並列回路に定電流バイアス回路等によって所定の電流を供給する状態で、検出素子２９に通電される電流を検出する場合には、検出素子２９が劣化すると、この並列回路において検出素子２９に通電される電流が相対的に増大するため、この電流の検出値が所定の判定閾値よりも大きい時に、各水素センサ１５ａ，１５ｂが劣化していると判定することができる。
【００２９】
また、上述した本実施の形態において、各センサ１５ａ，１５ｂは、ガス接触燃焼式のガスセンサをなすとしたが、これに限定されず、その他のセンサ、例えば被検出ガスの熱伝導率の差異を利用して水素ガスを検知する気体熱伝導式水素センサや、例えば超音波式ガスセンサ等であってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、少なくとも燃料極または酸素極の一方の作動圧力に基づく燃料電池の作動状態に応じて設定された判定閾値により、燃料電池の作動時の適宜のタイミングで、水素センサの劣化状態を容易に検知することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、オフガス中に含まれる水素量が極間差圧に応じて変化する場合であっても、水素センサの劣化状態を適切に判定することができる。
【００３１】
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、筐体内に含まれる水素量が作動圧力に応じて変化する場合であっても、水素センサの劣化状態を適切に判定することができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、水素センサの劣化状態の判定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知装置の構成図である。
【図２】 図１に示す水素センサの平面図である。
【図３】 図２に示すＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図４】 検出素子および温度補償素子が接続されてなるブリッジ回路を示す図である。
【図５】 図１に示す燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知装置
１０ 燃料電池
１０ａ 筐体
１４ 酸素極側の出口側配管（カソードオフガス流通管）
１５ａ 第１の水素センサ
１５ｂ 第２の水素センサ

Claims (4)

1. 反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池を備える燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法であって、
   前記水素センサから出力される検出値と、少なくとも前記燃料極または前記酸素極の一方の作動圧力に基づく前記燃料電池の作動状態に応じて設定した所定の判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて前記水素センサが劣化しているか否かを判定する判定ステップを含むことを特徴とする燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法。
2. 前記燃料電池システムは前記燃料電池の酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管を備え、前記水素センサは前記カソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガス中の水素を検出するものであり、
   前記判定ステップは、前記判定閾値を、前記燃料極と前記酸素極との前記反応ガスの圧力差に応じて設定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に具備される水素センサの劣化検知方法。
3. 前記燃料電池システムは前記燃料電池を内部に収容する筐体を備え、前記水素センサは前記筐体に設けられ、前記筐体内の水素を検出するものであり、
   前記判定ステップは、前記判定閾値を、前記燃料電池の作動時における前記反応ガスの供給圧力に応じて設定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に具備される水素センサの劣化検知方法。
4. 前記判定ステップは、前記燃料電池の所定安定作動時において、前記水素センサから出力される検出値と、前記燃料電池の前記所定安定作動時に対して設定した前記判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて前記水素センサが劣化しているか否かを判定することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法。

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