JP4598622B2

JP4598622B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP4598622B2
Application number: JP2005223285A
Authority: JP
Inventors: 孝佐々木; 昭博鈴木; 卓志斉藤; 英俊大石
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2025-08-01
Also published as: CN1908641B; US7568375B2; JP2007040756A; CN1908641A; US20070026275A1

Description

本発明は、高湿の環境下に置かれるガスセンサに関する。

一般に、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸素極で挟み込んで膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体）を形成し、この膜電極接合体を一対のセパレータで挟んでなる単セルを複数積層して一つの燃料電池スタックを構成している。そして、燃料極には、燃料として水素が供給され、酸素極には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、水素イオンと酸素が電気化学反応を起こして発電する。

このような固体高分子膜型燃料電池においては、従来、燃料電池の酸素極側の排出系にガスセンサ（水素検出器）を設け、このガス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する技術が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。具体的に、この技術では、ガスセンサの水素取込口（気体取込部）を鉛直下方に向けた状態で排気管の上壁に設けることで、比重の軽い水素を良好にガスセンサ内に取り込むことができる構造となっている。また、このような技術では、水素取込口に撥水フィルタを設けることで、ガスセンサ内に高湿のガスが入る前にそのガス中の水滴を撥水フィルタで除去して、水素検出器内の検出素子に水滴が付着するのを防止することも考えられている。
特開平６−２２３８５０号公報（段落番号００１３〜００１４、図１）特開２００３−２９４６７５号公報（段落番号０００８〜００１０、図４）

しかしながら、前記した技術では、燃料電池の発電中／発電停止中に関わらず、燃料電池から排出された高湿なオフガスが、ガスセンサ内に浸入し、ガスセンサ内で結露水が生成しやすい状況にあった。そのため、結露水が水素（被検出ガス）を検出するガス検出素子に付着し、腐食するなどした結果、ガスセンサが故障する場合があった。

そこで、本発明は、故障しにくいガスセンサ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、燃料電池からのオフガス中に含まれる水素を検出するガス検出素子と、前記ガス検出素子を収容すると共に、前記オフガスが取り込まれるガス検出室を有する素子収容部と、前記オフガスが流通するオフガス流路から前記ガス検出室への前記オフガスの浸入を遮断する遮断手段と、を備え、前記オフガス流路の壁に設けられるガスセンサであって、前記遮断手段は、前記燃料電池の発電停止に伴って前記ガス検出室と前記オフガス流路とを遮断し、前記燃料電池の発電開始に伴って前記ガス検出室と前記オフガス流路とを連通させることを特徴とするガスセンサである。

このようなガスセンサによれば、遮断手段によって、気体流路（オフガス流路）からガス検出室への気体（オフガス）の浸入を適宜に遮断することができる。すなわち、ガスセンサが、後記する実施形態のように、高湿である燃料電池のオフガス中の水素（被検出ガス）を検出する水素センサである場合、遮断手段によって、燃料電池の発電停止時などにおいて、気体流路（オフガス流路）とガス検出室との連通させなければ、ガス検出室への水蒸気の浸入を遮断することができる。その結果として、ガス検出素子に水蒸気、結露水などの不純物が付着することを防止でき、ガスセンサは故障しにくくなる。

すなわち、このようなガスセンサによれば、遮断手段が、被検出ガス（水素）を検出する場合のみに、ガス検出室と前記気体流路とが連通させることにより、気体（オフガス）をガス検出室に取り込むことができる。これにより、ガス検出素子が水蒸気に曝される時間を短くすることができ、ガス検出素子（ガスセンサ）の耐久性を向上させることができる。

つまり、このようなガスセンサによれば、燃料電池の発電時のみ、遮断手段によって、燃料電池のオフガス流路とガス検出室とを連通させて、水素を含むオフガスをガス検出室に取り込み、オフガス中の水素を検出し、その濃度を監視することができる。
一方、燃料電池の発電停止時は、遮断手段によって、燃料電池のオフガス流路とガス検出室とを連通させず、オフガス流路からガス検出室へのオフガスの浸入を遮断することにより、例えば、燃料電池の発電停止後に、オフガスが継続的にガス検出室に浸入し、ガス検出室で結露水が継続的に生成することを防止できる。

また、前記ガスセンサにおいて、前記燃料電池は、起動スイッチのＯＮに連動して発電を開始し、前記起動スイッチのＯＦＦに連動して発電を停止するように構成されており、前記遮断手段は、前記起動スイッチのＯＮに連動して前記ガス検出室と前記オフガス流路とを連通させ、前記起動スイッチのＯＦＦに連動して前記ガス検出室と前記オフガス流路とを遮断することが好ましい。

また、前記ガスセンサにおいて、前記ガス検出室を加熱するヒータを備えることが好ましい。

また、前記ガスセンサにおいて、前記ガス検出室の壁面から突出する突起部を備えることが好ましい。

このようなガスセンサによれば、突起部を備えたことにより、同じ体積のガス検出室に対して、ガス検出室を取り囲む「取囲み面」の面積は大きくなる。これにより、ガス検出室に取り込まれた被検出ガスを含む高湿の気体は、前記取囲み面と接触しやすくなり、水蒸気が良好に結露する。その結果として、ガス検出素子への水蒸気（水分）の付着を低減させることができる。

本発明によれば、故障しにくいガスセンサを提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る水素センサを備えた燃料電池システムを示す概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係る水素センサ１（ガスセンサ）は、燃料電池２から排出されるオフガス（空気オフガス、希釈ガス）中の水素を検出するために、燃料電池システムＳ内に組み込まれている。以下、燃料電池システムＳについて簡単に説明した後、水素センサ１の詳細について説明する。

燃料電池システムＳは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、燃料電池自動車は燃料電池２の発電電力によって走行用の電動モータ（走行モータ）を回転させて走行するようになっている。燃料電池システムＳは、燃料電池２と、燃料極（アノード）側の入口側配管３および出口側配管５と、酸素極（カソード）側の入口側配管４および出口側配管６を主に備えている。

燃料電池２は、例えば陽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膜電極接合体を、更に一対のセパレータで挟持してなる単セル（図示略）を多数組積層して構成されたスタックからなる。

この燃料電池２では、例えば高圧の水素タンク等を備える水素供給装置（図示略）から燃料極側の入口側配管３を介して燃料として水素が燃料極に供給されるとともに、コンプレッサ２１により酸素極側の入口側配管４を介して酸化剤として空気が酸素極に供給される。燃料極の触媒電極上では、触媒反応により水素がイオン化され、生成された水素イオンが適度に加湿された固体高分子電解質膜を拡散・通過して酸素極まで移動する。そして、こ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。また、酸素極には酸素を含む空気が供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子および酸素が、酸素極の触媒の作用により電気化学的に反応して水が生成される。
そして、燃料極側の出口側配管５および酸素極側の出口側配管６から未反応の反応ガス（例えば、水素や空気等）を含むいわゆるオフガスが排出される。

ここで、未反応の水素を含む水素オフガス（アノードオフガス）は、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５から水素循環配管２２に排出され、エゼクタ２３を介して燃料極側の入口側配管３に戻され、再び燃料電池２の燃料極に供給されるようになっている。
一方、反応済みの空気中に水分を多量に含んだ空気オフガス（カソードオフガス）は、希釈器２６および出口側配管６を介して大気中へ排出される。

さらに、燃料電池２の燃料極側の出口側配管５にはパージ弁２４を介して水素排出配管２５が接続され、この水素排出配管２５には希釈器２６が接続されている。そして、水素オフガスは、パージ弁２４を介して水素排出配管２５に排出可能とされ、さらに、水素排出配管２５を通って希釈器２６に導入可能とされている。希釈器２６は、水素排出配管２５から取り込んだ水素オフガスを、燃料電池２から排出された空気オフガスによって適宜の倍率で希釈し、希釈ガスとして排出することができるように構成されている。
すなわち、希釈器２６下流の出口側配管６内を、空気オフガスまたは希釈ガスであるオフガスが流通し、この出口側配管６内が特許請求の範囲における「燃料電池２のオフガス流路６ａ（気体流路）」となっている（図２参照）。

そして、この希釈器２６の下流には、水素（被検出ガス）を検出するガス接触燃焼式の水素センサ１が配置されており、これによりオフガス（空気オフガス、希釈ガス）中の水素濃度が監視されるようになっている。水素センサ１は、オフガスの流通方向が水平方向となるように配置された出口側配管６の鉛直方向上部に配置されている。また、水素センサ１は、燃料電池システムＳを制御する、つまり燃料電池２の発電を制御するＥＣＵ８１（Electronic Control Unit、電子制御装置）と電気的に接続している。ＥＣＵ８１は、燃料電池自動車のＩＧ（イグニッション）８２と連動しており、ＩＧ８２がＯＮされると燃料電池システムＳが起動して、燃料電池２が発電するように設定されている。また、ＥＣＵ８１は、後記するコンプレッサ３５（空気供給手段）と電気的に接続している。そして、ＥＣＵは、燃料電池２の発電時（水素を検出する時）のみに、後記する開口４０ｂを開き、オフガスを第１収容室４０ａ（ガス検出室）に取り込むように、コンプレッサ３５を制御するようになっている。

≪水素センサの構成≫
続いて、図２を参照して水素センサ１の具体的な構造について説明する。図２は、本実施形態に係る水素センサの側断面図である。
図２に示すように、水素センサ１は、ケース３０と、ガス検出素子６１と、ヒータ６２と、素子収容部Ｂと、素子収容部Ｂを構成する第１素子収容部４０に設けられた複数のリブ４１（突起部）と、第１収容室４０ａと出口側配管６内のオフガス流路６ａとを適宜に遮断するダイアフラム弁７０（遮断手段）と、を主に備えている。

＜ケース＞
ケース３０は、内蔵する制御基板３１を保護するためのものであり、例えばポリフェニレンサルファイドから形成される。制御基板３１は、ガス検出素子６１およびヒータ６２と、ＥＣＵ８１とに電気的に接続されている。そして、ガス検出素子６１で検出された水素濃度に対応した電気信号が、ＥＣＵ８１に送られるようになっている。
ケース３０の下端面には、制御基板３１に接続されるガス検出素子６１とヒータ６２とが設けられるとともに、これらを収容する素子収容部Ｂが設けられている。

＜ガス検出素子＞
ガス検出素子６１は、オフガス中に含まれる水素を検出する素子であり、具体的には検出素子と温度補償素子との対により構成されている。検出素子は、周知の素子であって、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が、触媒を坦持したアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。触媒は、水素に対して活性な貴金属などからなる。温度補償素子は、水素に対して不活性とされ、例えば検出素子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、水素が触媒に接触した際に生じる反応熱により、検出素子が高温になると、検出素子と温度補償素子の抵抗値に差が生じるので、この差から水素濃度を検出することができるようになっている。なお、雰囲気温度による電気抵抗値の変化は、温度補償素子を利用することにより相殺されるように設定されている。

＜ヒータ＞
ヒータ６２は、後記する第２素子収容部５０内（以下、この内部空間を「第２収容室５０ａ」ともいう。）を加熱するものである。これにより、第２収容室５０ａにおいて結露水の発生が抑制されている。

＜素子収容部＞
素子収容部Ｂは、ガス検出素子６１およびヒータ６２を二重に取り囲んで収容するケースであって、外側の第１素子収容部４０（特許請求の範囲における素子収容部に相当）と、その内側の第２素子収容部５０とを備えて構成されている。

［第１素子収容部］
第１素子収容部４０は、ケース３０の下面に突設された筐体であり、出口側配管６の周壁６ｂにボルトなどの適宜な手段によって固定されている。第１素子収容部４０は、その内部にオフガスが取り込まれる第１収容室４０ａ（ガス検出室）を有しており、第１収容室４０ａは、開口４０ｂを介して出口側配管６内のオフガス流路６ａと連通している。なお、第１収容室４０ａの容積は、その内部に取り込まれるオフガスの量を少なくするため、なるべく小さくすることが好ましい。

また、第１収容室４０ａを取り囲む第１素子収容部４０の内壁面４０ｃには、内壁面４０ｃから突出するように複数のリブ４１、４１が設けられており、第１収容室４０ａを取り囲む「取囲み面」の面積は大きくなっている。これにより、第１収容室４０ａに取り込まれたオフガスと、前記「取囲み面」との接触面積が大きくなり、オフガスに含まれる水蒸気が結露し易くなっている。その結果として、ガス検出素子６１への水蒸気（水分）の付着が低減されるようになっている。

［第２素子収容部］
第２素子収容部５０は、ガス検出素子６１およびヒータ６２を収容する第２収容室５０ａを有する有底円筒体であって、第１素子収容部４０の内側に配置されている。第２素子収容部５０の底壁には、開口５０ｂが形成されている。そして、撥水フィルタ５１および防爆フィルタ５２が重ねられたものが、開口５０ｂを塞ぐように設けられている。

撥水フィルタ５１は、気体を透過するが、液体を透過しないフィルタである。これにより、第２収容室５０ａへの液体（例えば結露水）の浸入を防止しつつ、気体（例えば水素、空気）が選択的に第２収容室５０ａに取り込まれるようになっている。
防爆フィルタ５２は、防爆性を確保するためのメッシュなどであり、撥水フィルタ５１の内側（ガス検出素子６１側）に設けられている。

＜ダイアフラム弁＞
ダイアフラム弁７０は、開口４０ｂを適宜に閉じることによって、オフガス流路６ａから第１収容室４０ａへのオフガス（空気オフガス、希釈ガス）の浸入を適宜に遮断する遮断手段である。ダイアフラム弁７０は、第１素子収容部４０の一部からなる弁箱７１と、開口４０ｂを開閉する弁体７２と、弁体７２を開口４０ｂの閉方向に付勢する圧縮コイルバネ７３と、弁体７２に固定されバルブ室７１ａを仕切るダイアフラムシール７４を備えている。なお、図２は、圧縮コイルバネ７３が伸張し、弁体７２が開口４０ｂを閉じている状態である。

そして、ＥＣＵ８１からコンプレッサ３５に作動信号が送られ、コンプレッサ３５が作動し、配管３５ａを介してバルブ室７１ａに圧縮空気が送り込まれると、圧縮コイルバネ７３の付勢力に抗して、弁体７２を図２における下方向に押し下げ、開口４０ｂが開くようになっている。このように開口４０ｂが開き、第１収容室４０ａとオフガス流路６ａとが連通すると、オフガスが第１収容室４０ａに取り込まれるようになっている。
なお、コンプレッサ３５を燃料電池２のカソードに空気を送るコンプレッサ２１（図１参照）と共有し、入口側配管３から分岐し、且つ、その途中に開閉弁を有する分岐配管を設け、分岐配管の下流端をバルブ室７１ａに接続し、ダイアフラム弁７０開く場合（オフガスを取り込む場合）にＥＣＵ８１が前記開閉弁を開く構成としてもよい。また、ソレノイドを使用し、ＥＣＵ８１の指令により、電磁駆動によって弁体７２を開／閉する構成としてもよい。

ここで、本実施形態において、特許請求の範囲における「ガスセンサシステムＧ」は、水素センサ１（ガスセンサ）と、ＥＣＵ８１（制御手段）とを備えて構成されている。

≪水素センサの作用・効果≫
次に、このような水素センサ１の作用について、図１および図２に加え、図３に示すＥＣＵ８１に設定された制御フローチャートを参照して説明する。なお、燃料電池２の発電時、発電停止時の順で説明する。

＜燃料電池の発電時＞
燃料電池自動車を走行させるために、ＩＧ８２がＯＮされると、ＥＣＵ８１は燃料電池システムＳを作動、つまり、燃料電池２を発電させる。このように燃料電池２が発電すると、図３に示すステップＳ１０１の判定がＹｅｓとなり、ＥＣＵ８１における処理がステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ８１はダイアフラム弁７０を開く。具体的に説明すると、ＥＣＵ８１はコンプレッサ３５を作動させて圧縮空気をバルブ室７１ａに送り込む。そうすると、弁体７２が押し下げられ、開口４０ｂが開かれる。このように開口４０ｂが開くと、出口側配管６内を流通するオフガス（空気オフガス、希釈ガス）が、第１収容室４０ａに取り込まれる。

第１収容室４０ａに取り込まれたオフガスの一部は、撥水フィルタ５１、防爆フィルタ５２を通過し、第２収容室５０ａに流れ込み、ガス検出素子６１によって、その水素濃度が検出される。
また、第１収容室４０ａに取り込まれたオフガスは、複数のリブ４１の表面を含め、第１収容室４０ａを取り囲む「取囲み面」に接触する。ここで、前記したように、リブ４１が設けられたことによって「取囲み面」の面積は大きくなっているため、取り込まれたオフガスの温度が効率的に下がる。これにより、オフガスに含まれる水蒸気が結露する。すなわち、水蒸気が撥水フィルタ５１を透過して、ガス検出素子６１に水蒸気が付着することが防止される。
その後、ＥＣＵ８１における処理はリターンに進んだ後、スタートに戻る。

＜燃料電池の発電停止時＞
一方、燃料電池自動車を停止させるために、ＩＧ８２がＯＦＦされると、ＥＣＵ８１は燃料電池システムＳを停止、つまり、燃料電池２の発電を停止する。このように燃料電池２の発電が停止されると、ステップＳ１０１の判定がＮｏとなり、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ８１はダイアフラム弁７０を閉じる。具体的に説明すると、ＥＣＵ８１はコンプレッサ３５を停止して、バルブ室７１ａへの圧縮空気の供給を停止する。そうすると、圧縮コイルバネ７３が伸張し、弁体７２が上方に押し上げられ、開口４０ｂが閉じられる。すなわち、第１収容室４０ａと出口側配管６内とが遮断される。

このように遮断されると、燃料電池２の発電停止後に、出口側配管６内の高湿なオフガス（空気オフガス、希釈ガス）が第１収容室４０ａに継続的に浸入し続けることが防止される。これにより、燃料電池２の発電停止後に、第１収容室４０ａで結露水が継続的に生成することは防止され、ガス検出素子６１に継続的に付着することを防止できる。その結果として、ガス検出素子６１、つまり、水素センサ１は故障しにくくなる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した実施形態では、被検出ガスを水素としたが、本発明はこれに限定されず、例えば、一酸化炭素、硫化水素など他のガスであってもよい。さらに、前記実施形態では、ガスセンサとして接触燃焼式のガスセンサを採用したが、本発明はガス検出室を備えるガスセンサであればどのようなものでもよく、例えば、半導体式のガスセンサなど、他の方式のガスセンサであってもよい。

前記した実施形態では、水素センサ１（ガスセンサ）が希釈器２６の下流側の出口側配管６に取り付けられた場合について説明したが、水素センサ１の取り付け位置はこれに限定されず、例えばパージ弁２４と希釈器２６との間の水素排出配管２５に取り付けられてもよい。

前記した実施形態では、図２に示すように、第１素子収容部４０は１つの開口４０ｂを有し、この開口４０ｂがオフガスの取込口と排出口として機能するとしたが、その他に例えば図４に示すように、第１収容室４５ａを有すると共に、取込口４５ｂおよび排出口４５ｃを別々に有する第１素子収容部４５であってもよい。この場合、取込口４５ｂ、排出口４５ｃの近傍に、バタフライ弁９０、９０（遮断手段）をそれぞれ設け、バタフライ弁９０、９０がＥＣＵ８１によって閉じられると、第１収容室４５ａとオフガス流路６ａとが遮断される構成であってもよい。

本実施形態に係る水素センサを備えた燃料電池システムを示す概略構成図である。本実施形態に係る水素センサの側断面図である。図２に示す制御基板に設定されたフローチャートである。変形例に係る水素センサの側断面図である。

符号の説明

１水素センサ（ガスセンサ）
２燃料電池
６ａオフガス流路（気体流路）
６ｂ周壁
４０第１素子収容部
４０ａ第１収容室（ガス検出室）
４０ｃ内壁面
４１リブ（突起部）
６１ガス検出素子
７０ダイアフラム弁（遮断手段）
７１弁箱
７２弁体
７３圧縮コイルバネ
７４ダイアフラムシール
８１ＥＣＵ（制御手段）
Ｂ素子収容部
Ｇガスセンサシステム
Ｓ燃料電池システム

Claims

燃料電池からのオフガス中に含まれる水素を検出するガス検出素子と、
前記ガス検出素子を収容すると共に、前記オフガスが取り込まれるガス検出室を有する素子収容部と、
前記オフガスが流通するオフガス流路から前記ガス検出室への前記オフガスの浸入を遮断する遮断手段と、
を備え、
前記オフガス流路の壁に設けられるガスセンサであって、
前記遮断手段は、前記燃料電池の発電停止に伴って前記ガス検出室と前記オフガス流路とを遮断し、前記燃料電池の発電開始に伴って前記ガス検出室と前記オフガス流路とを連通させる
ことを特徴とするガスセンサ。
前記燃料電池は、起動スイッチのＯＮに連動して発電を開始し、前記起動スイッチのＯＦＦに連動して発電を停止するように構成されており、
前記遮断手段は、前記起動スイッチのＯＮに連動して前記ガス検出室と前記オフガス流路とを連通させ、前記起動スイッチのＯＦＦに連動して前記ガス検出室と前記オフガス流路とを遮断する
ことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記ガス検出室を加熱するヒータを備える
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。
前記ガス検出室の壁面から突出する突起部を備えたこと特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。